Лабораторная работа № 2.5

Изучение дисперсии призменного спектроскопа и определение с его помощью длины волны света.

Цель работы:

• изучить принцип работы призменного спектроскопа;

• научиться производить его градуировку и по градуировочной кривой определять неизвестные длины волн источников света

Приборы и оборудование: спектроскоп, ртутная или люминесцентная лампа.

Краткие теоретические сведения

Спектроскопом называется спектральный прибор, предназначенный для получения спектров излучения и их визуального наблюдения. Принципиальная оптическая схема простейшего призменного спектроскопа представлена на рисунке 5.1.

Призменный спектроскоп состоит из трёх основных узлов: коллиматора А, призмы П и зрительной трубы Б. Источник света И, спектр которого исследуется при помощи спектроскопа, устанавливается перед коллиматором.

КоллиматорА состоит из линзы Л₁ и щели Щ, расположенной в главной фокальной плоскости линзы. Лучи света, идущие от источника излучения И и освещающие щель коллиматора под разными углами, выходят после линзы в виде параллельного пучка и падают на призму П. Призма разлагает в спектр пучок параллельных лучей немонохроматического света. Свет различных длин волн выходит из призмы под разными углами, пучок красного света отклоняется на меньший угол, а фиолетового имеет наибольшее отклонение. Все лучи других цветов проходят в промежутке между крайними цветами. Так как все лучи одной и той же длины волны выходят из призмы параллельными между собой, то вторая линза Л₂, находящаяся в зрительной трубе, собирает их в одну точку фокальной плоскости. В этой плоскости лучи одного цвета дают изображение узкой щели Щ. Геометрическое место всех изображений, даваемых различными лучами, входящими в состав исследуемого пучка, называется спектром данного источника излучения. Так как изображение спектра С мало, то для увеличения его применяют окуляр О, действующий как обычная лупа.

Конструктивно спектроскоп состоит из следующих основных частей: подставки, столика, на котором в центре закреплена призма, неподвижного кронштейна с коллиматорной трубкой, подвижного кронштейна со зрительной трубкой и винтового микрометра. Винтовой микрометр служит для определения относительного положения спектральных линий или полос в спектре. Микрометр состоит из винта с шагом в 1 мм и барабанчика, на котором нанесены 50 делений. Цена одного деления – 0,02 мм. Коллиматорная трубка служит для направления на призму параллельного пучка лучей от узкой щели Щ. Зрительная трубка служит для рассматривания спектра и состоит из линзы Л₂ и подвижного окуляра О. В фокальной плоскости окуляра имеется металлическая нить, расположенная вертикально. Металлическая нить служит для фиксации спектральных линий. Спектральные линии можно перемещать в поле зрения, поворачивая зрительную трубку при помощи микрометрического винта. Совместив спектральную линию с визирной вертикальной линией окуляра, мы выведем её в центр поля зрения. Этому положению будет соответствовать определённое показание винтового микрометра, которое отсчитывается в целых миллиметрах по шкале на винте и в долях миллиметра по шкале на барабанчике. Разным спектральным линиям, помещённым в центр поля зрения, будут соответствовать разные показания винтового микрометра.

Более детально рассмотреть ход лучей различных длин волн можно, воспользовавшись рисунком 5.2. Жёлтая спектральная линия, пройдя через призму П, отклоняется от первоначального направления АА на некоторый угол . Зелёная, синяя и фиолетовая спектральные линии, вследствие меньшей длины волны, отклонятся каждая на больший угол, равный, где– небольшой дополнительный угол, имеющий своё численное значение для каждой длины волны. Если из эксперимента определить значения этих углов, то можно построить зависимость изменения угла отклонения световых лучей от длины волны и определить угловую дисперсию призменного спектроскопа.

Дисперсия спектрального прибора определяет угловое или линейное расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине на единицу (например, на 1 Å).

Угловой дисперсией называется величина , где– угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на.

На рисунке 5.2. обозначения имеют следующий смысл: 1 – винтовой микрометр, 2 – неподвижный кронштейн, 3 – проекция подвижного кронштейна, на котором закреплена зрительная трубка. Зрительная трубка поворачивается совместно с подвижным кронштейном. При определённых значениях показаний винтового микрометра ось зрительной трубки оказывается выставленной по направлениям распространения лучей и. Из рисунка 5.2 видно, что угол поворота зрительной трубки от направлениядо направленияможно определить из соотношения:

,

где Н – смещение микрометрического винта от положения, при котором жёлтая спектральная линия совпадает с визирной линией окуляра зрительной трубки, до положения, при котором с визирной линией окуляра совпадает спектральная линия ;L – расстояние от оси вращения подвижного кронштейна О до точки упора микрометрического винта в подвижный кронштейн.

В работе в качестве источника света используется ртутная лампа, излучение которой имеет линейчатый спектр. Длины волн спектральных линий ртути видимого диапазона имеют следующие значения: 404,66 нм – фиолетового цвета, 435,83 нм – синего цвета, 546,07 нм – зелёного цвета, 576,96 и 579,06 нм – обе жёлтого цвета. Если в качестве источника света использовать лампу накаливания, то наблюдается сплошной спектр.