Методика измерений

Лабораторная работа №17

ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА

Цель работы: Наблюдать и изучить спектры: линейчатый, полосатый и сплошной.

Научиться градуировать монохроматор УМ-2.

Оборудование: монохроматор УМ-2, пульт питания, ртутная лампа, осветитель ОИ-19, РНШ, ахроматический конденсатор (F = 94мм), растворы красителей 1 и 2, светофильтры (красный и синий).

ТЕОРИЯ

В середине 19 века ряд исследователей, и особенно Кирхгоф и Бунзен, установили, что газы и пары химических элементов испускают свет, который после прохождения через спектроскоп, дает ряд узких цветных изображений щели прибора, называемых спектральными линиями.

Каждая такая спектральная линия принадлежит монохроматическому световому излучению. В действительности эта монохроматичность весьма приближена. Если все же считать, что спектральные линии соответствуют монохроматической световой волне, то для нее можно написать выражение

E=E₀cos( t + ), (I)

где E₀ – амплитуда напряженности электрического поля световой волны,

– угловая частота ( = 2 , где – частота падающего электромагнитного излучения),

– начальная фаза световой волны.

Излучение, характеризуемое уравнением (I), представляет собой идеально монохроматическую волну, если только она длится в интервале времени - , + . На самом деле длительность каждого излучения имеет конечное значение, что приводит к тому, что каждая спектральная линия не является идеально монохроматическим излучением, а представляет собой тесную совокупность излучений, непрерывно изменяющихся по частоте в очень узком интервале. Такое излучение называют квазимонохроматическим.

Совокупность монохроматических колебаний, которыми можно представить свет какого-либо источника, представляет собой спектр.

Экспериментально установлены 3 типа спектров испускания:

1. Сплошной, в котором частоты излучения непрерывно изменяются и для видимого света идут от красного света до фиолетового. Такие спектры дают раскаленные твердые тела.

2. Полосатый - возникает за счет процессов, происходящих внутри молекул, так как строение молекул сложнее атомов и внутри молекул совершается не только переход электронов на различные орбиты, но вращение ядер и колебания молекул.

3. Линейчатый – состоит из отдельных спектральных линий, возникающих за счет переходов электронов в атомах на различные орбиты. Такие спектры дают раскаленные одноатомные газы и пары.

4. Последовательность спектральных линий, образующихся при различных однофотонных переходах молекул из нижних состояний в более высокие и расположенных по длинам волн, называется спектром поглощения.

5. Последовательность спектральных линий, образующихся при различных однофотонных переходах молекул из возбужденных состояний в нижележащие и расположенные по длинам волн, называется спектром испускания.

Важнейшими количественными характеристиками излучения с волновой точки зрения являются: амплитуда, частота, которая вызывает ощущение определенного цвета (для оптического диапазона) и направление электрического вектора, характеризующее состояние поляризации.

Мощность светового колебания, а значит яркость спектральной линии, определяется квадратом амплитуды вектора Е.

Важнейшими количественными характеристиками излучения с квантовой точки зрения являются: энергия фотонов (W=h ), которая зависит от частоты, и число фотонов, которое характеризует интенсивность спектральной линии.

Оптические спектры изучаются с помощью различных спектральных приборов.

Наиболее простой способ получения оптического спектра заключается в прохождении светового пучка через трехгранную призму из стекла или другого прозрачного вещества (рис.1). Так как коэффициент преломления вещества призмы зависит от длины волны падающего света, то, преломляясь по разному, свет различных длин волн, падающих на входную щель прибора, образует на экране систему цветных изображений щели. Для белого света эта система сливается в радужную сплошную полосу КФ, которую называют оптическим спектром (рис.1). Если щель расположена горизонтально, то полоса КФ вертикальна, причем сверху – красный край спектра, снизу – фиолетовый.

Рис. 1

В настоящее время применяются более совершенные спектральные приборы – дифракционные.

Если спектр не рассматривается, а его действительное изображение фотографируется (пленка или пластинка помещается в фокальную плоскость объектива зрительной трубы), то прибор называется спектрографом. Если в фокальной плоскости объектива поместить узкую щель, пропускающую лучи одного цвета, то прибор называется монохроматором.

Для изготовления призм применяется оптическое стекло с высокой однородностью и большой примесью свинцовых солей - тяжелый флинт. Для наблюдения излучений в ультрафиолетовой области призмы изготавливают из кристаллического кварца или флюорита. Для инфракрасного излучения - из кристаллов поваренной соли (NaCl) и кристаллов фтористого лития.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА МОНОХРОМАТОРА УМ-2

Для исследования спектра и измерения длин волн спектральных линий в работе используется монохроматор УМ-2.

В состав прибора входят следующие основные части (рис. 2):

Рис. 2

Коллиматор 1,

Призмы на столике с поворотным механизмом 2,

Зрительная труба 3,

Входная щель 7, снабженная микрометрическим винтом с ценой деления 0,01 мм. Обычная рабочая ширина щели равна 0,02 – 0,03 мм.

Коллиматорный объектив 10.

Сложная спектральная призма 8 установлена на поворотном столике. Призма 8 состоит из трех склеенных призм P₁, P₂, P₃. Призмы P₁ и P₂ с преломляющими углами 30º изготовлены из тяжелого флинта, обладающего большой дисперсией. Промежуточная призма P₃ изготовлена из крона. Лучи отражаются от её гипотенузной грани и поворачиваются на 90º. Благодаря такому устройству дисперсия призм P₁ и P₂ складываются.

Поворотный столик вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта с отсчетным барабаном 18 (см. инструкцию к монохроматору, (рис.2). На барабане нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана. При вращении барабана призма поворачивается и в центре поля зрения появляются различные участки спектра.

Зрительная труба состоит из объектива 9 и окуляра 12. Объектив 9 дает изображение входной щели 7 в своей фокальной плоскости. В этой плоскости расположен указатель 14. Изображение рассматривается через окуляр 12. В случае надобности окуляр может быть заменен съемной выходной щелью 11, пропускающей одну из линий спектра. В этом случае прибор служит монохроматором. В данной работе выходная щель не применяется, и монохроматор является спектроскопом.

1. На оптической скамье, могут перемещаться источник света 4 и ахроматический конденсор 6, 5 - защитное стекло источника света.

Для яркого освещения входной щели конденсор перемещают вдоль скамьи, стремясь получить на щели изображение источника света. Изображение удобно наблюдать на колпачке с крестиком. Таким колпачком прикрывается входная щель.

ВНИМАНИЕ!!!

Спектроскоп УМ-2 относится к числу точных и дорогих приборов.
Он требует бережного отношения

При подготовке прибора к наблюдениям особое внимание надо обращать на тщательную фокусировку окуляра 12 с тем, чтобы указатель 14 и спектральные линии имели четкие, ясные границы. Фокусировка проводится в следующем порядке: 1) перемещая окуляр 12, получают резкое изображение острия указателя 14; 2) для отсчета положения спектральной линии её центр совмещают с острием указателя 14.

Отсчет производится по делениям барабана. (Для уменьшения ошибки ширину входной щели берут малую 0,02 – 0,03 мм). Для наблюдения самых слабых линий в крайней фиолетовой области щель несколько расширяют (до 0,05 – 0,06 мм). Глаз лучше замечает слабые линии в движении, поэтому при наблюдении полезно слегка поворачивать барабан в обе стороны от среднего положения.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

1. Градуировка прибора

Градуировку прибора произведите с помощью ртутной лампы, дающей линейчатый спектр. Нормальная работа ртутной лампы обеспечивается пультом питания. От этого же пульта подается напряжение 3,5В на лампочки освещения шкал прибора.

Внимание!

Во время работы в ртутной лампе развивается давление до 3·10⁶ Па, поэтому обращаться с ней следует осторожно.

На передней панели пульта имеются выключатели сети, пусковая кнопка и выключатель ртутной лампы.

Для проецирования источника света на щель монохроматора на рельсе прибора находится ахроматический конденсор 6 с фокусным расстоянием F = 94 мм.

Включите ртутную лампу 4. Источник света 4 рекомендуется установить на таком расстоянии от колпачка, закрывающего щель, чтобы на нем получилось изображение источника в виде светлого круга, совпадающего с кругом на колпачке.

Вращайте барабан 18 длин волн и наблюдайте в окуляр зрительной трубы 3 спектральные линии, указанные в табл. 1. При этом спектральная линия должна быть совмещена с указателем на окуляре. Полученные результаты занесите в табл. 1.

Таблица 1

Окраска линий	Длина волны (нм)	Отсчет по барабану
Красная	612,3
Желтая П-я	579,0
Желтая 1-я	576,9
Желто-зеленая	546,0
Зелено-голубая	491,6
Синяя	435,8
Фиолетовая II-я	410,8
Фиолетова 1-я	407,8

Градуировочную кривую стройте в крупном масштабе на листе миллиметровой бумаги. По оси Х откладывайте градусы – деления барабана, а по оси У – длины волн соответствующих линий.

2. Исследование сплошного спектра лампы накаливания

Включите лампу (осветителя ОИ-19). Через РНШ подайте напряжение 100В. Определите по барабану границы видимого участка спектра. Полученные данные занесите в табл. 2. Измерения произвести не менее трех раз. По средним значениям N ср.к.в_. и N ср.д.в. определить границы видимого спектра в длинах волн, для чего воспользуйтесь градуировочным графиком.

Таблица 2

Граница длинноволновая	Граница коротковолновая
	N			N
Ср.			Ср.

3. Наблюдение и определение границ спектров поглощения

При прохождении света сквозь вещество часть его энергии превращается в различные формы внутренней энергии вещества или в энергию вторичного излучения иных направлений и спектрального состава. Поэтому при наблюдении сплошного спектра через вещество в нем появляются темные линии, длины волн которых характеризуют энергетические уровни электронов в атомах данного вещества. Таким образом, спектры поглощения, как и спектры испускания, однозначно характеризуют химический состав данного вещества.

Для наблюдения спектров поглощения между лампой накаливания и щелью монохроматора поочередно поместите исследуемые растворы 1 и 2.

Установите границы начала и конца области поглощения (краев темных полос на фоне сплошного спектра) в делениях барабана N_Н и N_К.Используя градуировочную кривую, определите длины волн, соответствующие началу и концу области поглощения. Результаты занесите в табл. 3 и отметьте на графике.

Таблица 3

Вещества	Начало поглощения	Конец поглощения
NН	Н	NК	К
Раствор 1
Раствор 2

4. Наблюдение спектров пропускания

1) Для наблюдения спектров пропускания между лампой накаливания и щелью монохроматора поочередно помещайте светофильтр (красный, синий).

2) Установите границы начала и конца спектра пропускания.

3) Используя градуировачный график, определите длины волн, соответствующие началу и концу области пропускания.

Данные занесите в табл. 4 и отметьте на графике.

Таблица 4

Светофильтр	NН	Н	NК	К
Красный
Синий

Контрольные вопросы

1. Что называется спектром?

2. Какие виды спектров Вы знаете?

3. Какова роль призмы в монохроматоре?

4. Зачем в монохроматоре используется диспергирующая призма, состоящая из трех призм?

5. Какие участки спектра входят в оптический диапазон?

6. Какие спектральные приборы Вы знаете, и чем принципиально они отличаются друг от друга?

7. Почему в непрерывно излучающем атоме, согласно законам электродинамики электрон должен упасть на ядро? Как обходит эту трудность теория Бора?

8. Какова природа спектров с современной точки зрения?

9. В чем сущность спектрального анализа и каковы области его применения?

10. Почему спектр возбуждаемых газов и паров имеет форму линий, а не какую-либо иную?

11. Для чего служит щель в коллиматоре и как изменяется наблюдаемая картина, если щель увеличивать?

Библиографический список

1. Ландсберг Г.С. Оптика. М., "Наука", 1976.

2. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика, атомная и ядерная физика. М., "Просвещение", 1974.

2. Практикум по общей физике. Под ред. Ноздрева. В.Ф. М., "Просвещение", 1971.

3. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике. "Высшая школа", 1963.

5. Инструкция - универсальный монохроматор УМ-2.