Задание 2, страница 189, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

Задание 2

Наблюдение линейчатых спектров испускания.

Рис. 1

1. Установите на оптической скамье против щели спектрометра ртутную лампу, включите ее и рассмотрите весь спектр.

2. Установите вместо ртутной лампы поочередно имеющиеся газоразрядные трубки (водородную, гелиевую и неоновую) и рассмотрите линейчатый спектр каждой из них. Зарисуйте спектр водорода.

Сделайте выводы.

1. При установке ртутной лампы напротив щели спектрометра и ее включении, свет от лампы попадает в коллиматор прибора, где формируется параллельный пучок света. Этот пучок направляется на диспергирующий элемент (например, дифракционную решетку или призму), который разлагает свет в спектр. При наблюдении через зрительную трубу спектрометра будет виден не сплошной спектр (радуга), а набор отдельных ярких цветных линий на темном фоне. Такой спектр называется линейчатым спектром испускания.

Появление линейчатого спектра является фундаментальным следствием квантовой природы атома. Согласно квантовой механике, электроны в атоме могут находиться только на определенных, дискретных энергетических уровнях. В газоразрядной лампе атомы ртути возбуждаются (получают энергию) в результате столкновений с электронами электрического тока. При этом электроны в атомах ртути переходят на более высокие энергетические уровни. Такое возбужденное состояние нестабильно, и электроны почти мгновенно возвращаются на более низкие уровни, излучая при этом избыток энергии в виде кванта света — фотона. Энергия фотона $\text{E}$ строго равна разности энергий начального ($E_n$) и конечного ($E_k$) уровней: $E = E_n - E_k$. Эта энергия определяет частоту $\nu$ и длину волны $\lambda$ излучаемого света: $E = h\nu = h\frac{c}{\lambda}$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\text{c}$ — скорость света. Поскольку набор энергетических уровней для каждого химического элемента уникален, то и набор длин волн, которые он может излучать, также уникален и дискретен.

В видимой части спектра ртути можно наблюдать несколько характерных ярких линий:

• Фиолетовая линия (длина волны около 404,7 нм)
• Синяя линия (длина волны около 435,8 нм)
• Очень яркая зеленая линия (длина волны около 546,1 нм)
• Желтый дублет — две близко расположенные линии (около 577,0 нм и 579,1 нм)

Ответ: При наблюдении излучения ртутной лампы через спектрометр виден линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий на темном фоне. Это доказывает, что атомы излучают свет с дискретными, строго определенными длинами волн, что является следствием квантования их энергетических уровней.

2. При замене ртутной лампы на газоразрядные трубки с водородом, гелием и неоном, для каждого газа также будет наблюдаться линейчатый спектр испускания. Однако вид спектра — количество, расположение (длины волн), цвета и относительная яркость линий — для каждого газа будет своим, уникальным.

Водород (H): В видимой части спектра атомарного водорода наблюдается так называемая серия Бальмера, которая состоит из нескольких линий:

• H-α (альфа): яркая красная линия с длиной волны $\lambda \approx 656,3$ нм.
• H-β (бета): сине-зеленая линия с длиной волны $\lambda \approx 486,1$ нм.
• H-γ (гамма): сине-фиолетовая линия с длиной волны $\lambda \approx 434,1$ нм.
• H-δ (дельта): фиолетовая линия с длиной волны $\lambda \approx 410,2$ нм.

Зарисовка спектра водорода: Чтобы зарисовать спектр водорода, необходимо изобразить горизонтальную шкалу длин волн, например, от 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный). На темном фоне этой шкалы следует нанести четыре вертикальные линии в соответствии с их длинами волн и цветами: яркую красную линию в положении 656 нм, менее яркую сине-зеленую в положении 486 нм, еще более слабую сине-фиолетовую в положении 434 нм и самую слабую фиолетовую в положении 410 нм.

Гелий (He): Спектр гелия значительно сложнее спектра водорода и содержит множество линий. Наиболее характерной является очень яркая желтая линия ($\lambda \approx 587,6$ нм). Также присутствуют заметные линии в красной, зеленой и синей областях спектра.

Неон (Ne): Спектр неона отличается большим количеством близко расположенных линий в оранжево-красной части видимого диапазона. Именно это преобладание красного излучения придает неоновым лампам их характерный и узнаваемый яркий красно-оранжевый цвет.

Выводы:

1. Разреженные газы в возбужденном состоянии излучают не сплошной, а линейчатый спектр.
2. Каждый химический элемент имеет свой собственный, уникальный линейчатый спектр, который не совпадает со спектрами других элементов. Спектр является своего рода "отпечатком пальца" элемента.
3. Благодаря уникальности спектров, их можно использовать для определения химического состава вещества. Этот метод называется спектральным анализом. Он является одним из важнейших методов исследования в физике, химии, астрономии.
4. Существование линейчатых спектров является прямым экспериментальным подтверждением основных положений квантовой теории строения атома, в частности, идеи о существовании дискретных стационарных энергетических состояний.

Ответ: Спектры испускания водорода, гелия и неона являются линейчатыми и уникальными для каждого газа. Наблюдение этих спектров подтверждает, что каждый химический элемент имеет характерный набор спектральных линий, что лежит в основе спектрального анализа и является доказательством квантования энергии в атомах.