Изучение представлений о естественной ширине уровней энергии и спектральных линий и о причинах их уширения, страница 3

В первом варианте выполнения работы применяется фотометрический метод. Прежде всего, при помощи спектрографа высокого разрешения (например, ИСП-51 с камерой УФ-90) на фотопластинках получают спектрограммы – негативные изображения участка спектра ртути, содержащего линию  435,83 нм, для двух источников: ламп ПРК- 4  и  ДРШ-250. Изменение степени почернения фотопластинки в пределах спектральной линии содержит информацию о ее контуре . Для количественного изучения степени почернения производится фотометрирование спектрограмм. Оно состоит в измерении величины пропускания D₁света как функции координаты x, изменяющейся вдоль исследуемого участка спектрограммы. Пропусканием света D₁, называют отношение I/ I_ф , где I – интенсивность света, проходящего через малый участок спектрограммы в пределах спектральной линии, а I_ф , – интенсивность для такого же участка вне линии (фоновая интенсивность). Пропускание D₁ как функцию x можно измерить с помощью микрофотометра, устройство и принцип действия которого описаны в отдельной инструкции.

С ростом спектральной плотности  степень почернения растет, а пропускание падает. Соответствующим выбором экспозиции при съемке спектрограммы можно достигнуть обратно пропорциональной зависимости между величиной пропускания света D₁ и плотности . Это облегчает задачу построения экспериментального контура  спектральной линии по результатам фотометрирования – интенсивность  будет прямо пропорциональна величине  I_ф / I.

Таким образом, для определения полуширины спектральной линии следует построить график зависимостиI_ф / I от координаты x, отсчитываемой по лимбу микрометрического винта микрофотометра. На графике находят геометрическую полуширину линии Dх как ширину графика на половине его высоты. Умножив Dх на обратную линейную дисперсию , получают искомую полуширину спектральной линии, выраженную в нанометрах.

Величину также находят из спектрограммы. Фотометрируемый участок выбирают таким образом, чтобы он включал в себя помимо линии l=435,83 нм  также линии  l = 434,75 нм  и  l= 433,92 нм.

Последние две из них используют для определения с помощью соотношения  , где  x₁  и  x₂ – отсчеты микрометрического винта, соответствующие максимумам почернения линий  l₁  и  l₂.

Экспериментальные значения полуширины сравнивают со значениями , ,  и , рассчитанными теоретически с учетом различий в условияхвозбуждения для двух ртутных ламп: ПРК- 4 ( р = 1,0∙10⁵ Па, T = 500 K)  и  ДРШ-250 ( р = 1,5∙10^б Па, Т = 1000 К ). Необходимые значения вероятностей переходов  приведены на диаграмме (рис. 14.4). Эффективный радиус атома ртути принимается равным  r_эф = 1,5 нм.  Полученные результаты сводятся в таблицу.

Рис. 14.4

Второй вариант выполнения работы основан на фотоэлектрическом методе регистрации спектров. Применение этого метода дает возможность сразу получать готовые контуры спектральных линий, по которым находят их полуширину.

14.4. Задание

1. Изучить устройство и принципы действия приборов по прилагаемым к ним инструкциям.

2. Получить спектрограммы излучения ртутного пара при различных условиях возбуждения (для ламп  ПРК- 4  и  ДРШ-250).

3. Провести фотометрирование спектрограммам. Для спектральной линии ртути l = 435,83нм  для обеих ламп построить контуры линий.

4. Найти обратную линейную дисперсию и определить полуширину спектральных контуров.

5. Используя значения вероятностей переходов  и параметры условий возбуждения в лампах, рассчитать теоретические значения  , ,  и  для линии  l=435,83нм  спектра ртути для обеих ламп.

6. Выяснить главную причину уширения спектральной линии ртути l = 435,83нм в излучении ламп ПРК-4 и ДРШ-250, оценить среднее время жизни атома ртути в состоянии  ²S₁  и уточнить значение эффективного радиуса атома r_эф .

14.5. Контрольные вопросы

1. Объяснить причины, приводящие к появлению естественной ширины спектральной линии (по классической и по квантовой модели).

2. Как вводятся коэффициенты Эйнштейна, в чем состоит их физический смысл?

3. Как связаны время жизни и ширина уровня энергии? Каков их порядок величин для атома?

4. Чем определяется естественная ширина спектральной линии?

5. Чем определяется интенсивность спектральной линии?

6. Как рассчитать средний промежуток времени между столкновениями атомов в газе?

7. Объяснить физический механизм доплеровского уширения спектральной линии.

8. Какова физическая причина уширения спектральных линий из-за столкновений атомов?

9. Каково влияние на ширину спектральной линии температуры, давления и плотности излучающего газа?