Versuch Nr. O-02

Versuch Nr. O-02
Das Spektrum des Heliumatoms - Beugung am Gitter
(Version: 31. März 2011)
Voraussetzungen
- Lichtinterferenzen, Kohärenzbedingungen, (zeitliche und räumliche Kohärenz, Kohärenzlänge,
Fresnelsche und Fraunhofersche Beobachtungsweise)
- Beugung am Spalt, Doppelspalt und Gitter, Bedingungen für Auflösung und maximale
Intensität.
- Intensitätsverteilung und Auflösungsvermögen des Gitters
- Linien- und Bandenspektren, Spektralröhre (Geißler-Röhre), Gasentladung, Glimmentladung
- Begriff der Parallaxe.
Literaturbeispiele
Bergmann, Schäfer:
Demtröder:
Eichler, Kronfeldt, Sahm:
Kohlrausch:
Vogel:
Experimentalphysik III (Optik), De Gruyter. (Sehr ausführlich!)
Experimentalphysik 2 (Elektrizität und Optik), Springer.
Das Neue Physikalische Grundpraktikum, Springer.
Praktische Physik 3, Teubner.
(Spektrallinien von Elementen im Tabellenanhang)
Gerthsen Physik, Springer.
Internet
http://physics.nist.gov/cgi-bin/AtData/lines form
(National Institute of Standards and Technology, Datenbank für Spektrallinien)
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
(Virtuelles Physikbuch in Englisch)
Versuchsvorbereitung
Zeichnen Sie den Strahlengang (vgl. Versuchsanordnung) und leiten Sie einen Ausdruck für
die Gitterkonstante her (ohne Sinus- und Tangens-Ausdrücke, nur eine Quadratwurzel).
Versuchsanordnung
Durch das optische Gitter blickt man auf die Lichtquelle, eine Spektralröhre (Geißlerröhre).
Man sieht dann auf den Maßstäben neben der Lichtquelle die Beugungsspektren. Die zum
Betrieb notwendige Hochspannung wird mit einem Netzgerät erzeugt, das nur für die
Zeitdauer der Messung eingeschaltet werden soll.
Wie wird beim Versuch räumliche die Kohärenzbedingung erfüllt?
Das Einschalten der Hochspannung und Auswechseln der Spektralröhren wird
vom Assistenten vorgenommen!

Versuch O-02 2
Versuchsdurchführung
1. Bestimmung der Gitterkonstanten mit Hilfe der roten (λ = 656nm) und der grünen
(λ = 486nm) Wasserstoffmolekül-Linien in der ersten Beugungs-Ordnung:
Der Abstand b zwischen Lichtquelle und Beugungsmaximum wird auf folgende Art
ermittelt: Links und rechts von der Lichtquelle sind Maßstäbe so angebracht, daß
ihre Skalen in der Lichtquelle enden. Auf ihnen sind verschiebbare Marken (mit einer
Leuchtdiode) befestigt. Man stellt die Marke auf die gewünschte Spektrallinie ein und
liest b auf dem Maßstab ab. Bei richtiger Justierung des Gitters ist b zu beiden Seiten
der Lichtquelle gleich groß; geringe Abweichungen sind durch Mittelwertbildung
auszugleichen. Blicken Sie beim Einstellen der Marke durch das gekennzeichnete
Zentrum des Gitters (Parallaxe!).
Die Maßstabablesungen sind für einen Lichtquelle-Gitter-Abstand von 100 cm durchzuführen.
Die rote H 2 -Linie (656nm) ist eindeutig auszumachen. Die 486nm-Linie ist die helle
blaugrüne Linie kurz vor Beginn des blau-violetten Bandes. (Es gibt eine fast gleich
helle Nachbarlinie auf der ,,langwelligen Seite”.) Justieren Sie das Gitter möglichst
so, daß linke und rechte rote H 2 -Linie gleichen Abstand zum Zentrum zeigen.
2. Bestimmung der Wellenlängen der Lichtes einer Helium-Spektralröhre aus den Beugungsspektren
in der ersten Ordnung:
Notieren Sie neben den abgelesenen Längenangaben b auch die ungefähre Farbangabe
und ungefähre Helligkeit (zum Beispiel: schwach, mittel, intensiv als dreistufige
Skala). Zu Beginn sollen die markanten Linien auf beiden Seiten abgelesen werden.
(Markant sind besonders intensive Linien, aber auch unverwechselbare Einzellinien.
Man wähle etwa sechs Stück aus!) Der Rest des Spektrums wird dann einseitig ausgemessen.
Bei Unsymmetrie der beiden markanten Ablesungen überlege man sich
eine Korrekturvorschrift für die ,,einseitigen” Messungen! Prüfen Sie zwischenzeitlich
die Lage der markanten Linien nach, um eine versehentliche Dejustierung des
Gitters auszuschließen.
Versuchsauswertung
1. zu (1): Geben Sie sowohl den Strichabstand (in µm) als auch die Strichdichte (in
Linien/mm), sowie deren Fehler an (Fehlerfortpflanzung).
2. zu (2): Tragen Sie die Ablesungen b in Originalgröße auf Millimeterpapier auf. Notieren
Sie neben den einzelnen Linien die errechneten Wellenlänge (in mm), Intensität
und Farbe.
3. Bestimmen Sie zu jeder Wellenlänge den mittleren quadratischen Fehler.
4. Recherchieren Sie die Spektrallinien von Helium in der Literatur und vergleichen Sie
diese mit Ihren gemessenen Werten.
Wellenlängen-Messungen mit dem Gitter sind recht genau. Auch mit dieser einfachen
Anordnung kann man Abweichungen deutlich unter 5% halten.