Призмові спектральні прилади

Розжарені тверді і рідкі тіла, гази великої густини випромінюють суцільні смугасті та лінійчаті спектри. Лінійчаті спектривипромінюють збуджені атомарні розріджені гази.Смугасті спектривипромінюють збуджені молекули газу (не дуже розрідженого). Всі метали в газоподібному стані випромінюють лінійчаті спектри. Кожний хімічний елемент випромінює типовий для нього спектр.

Для аналізу спектрів служать спектральні прилади.

Монохроматоромназивається спектральний прилад, який призначений для виділення зі спектру вузької смуги (лінії) монохроматичного випромінювання.

Спектроскопомназивають прилад, який служить для просторового розділення променів різних довжин хвиль, причому спостереження одержаного спектра проводиться візуально.

Спектрографом називають прилад, призначений для одержання спектрограм, тобто фотографічного зображення спектра.

Призмову систему в загальному випадку можна зобразити у вигляді деякого простору, заповненого діелектриками різних сортів, з різкими межами розділу між ними, на яких і відбувається заломлення пучка променів. Розглянемо основні властивості призмових систем.

Кутове збільшення призм

Кутовий розхил пучка, який проходить через поверхню арозділу двох діелектриків з показниками заломленняі(рис.2 а), змінюється. Змінюється і переріз пучка: переріз падаючого пучка рівний, заломленого –. Співвідношенняназиваютькутовим збільшеннямповерхніа. Продиференціювавши інваріант заломленняі використовуючи значення перерізіві, одержимо для кутового збільшення поверхні вираз:

(8)

Розглянемо кутове збільшенняпризми, яка складається з двох поверхоньаіві знаходиться в повітрі. Як видно з мал.2, б, кутовий розхилпучка на вході в призму залежить від розмірів вхідної щілиниs. В свою чергу, кутовий розхил пучка на виході з призми визначає розміри зображення щілини. Збільшення призми знаходимо, перемножуючи збільшенняікожної з граней:

(9)

де ,,– перерізи пучка в призмі на вході і на виході.

а б

Рис.2. До обчислення кутового коефіцієнта поверхні (а) і призми в повітрі (б); – кут відхилення променя призмою

Таким чином, збільшення призми можна знайти за перерізами пучка на вході і на виході. При симетричному ході променів через призму збільшення рівне одиниці. При цьому кут відхилення променя в призмі найменший. Якщо кут мінімального відхилення відповідає середній частині видимого спектра, то для фіолетових променів збільшення призми більше одиниці, а для червоних – менше одиниці.

Збільшення призми впливає на ширину зображення спектральних ліній:

(10)

де – збільшення об’єктивів приладу;– кут між площиною спектра і віссю камери.

Це особливо помітно в призмових приладах, таких як спектрограф ИСП-51. Наприклад, найменше відхиляється в цьому приладі пучок з довжиною хвилі 471,3 нм, а збільшення призм для довжин хвиль 546,1; 435,8 і 404,7 нм складає відповідно 0,85; 1,35; 1,76. Таким чином, в межах області спектра шириною всього в 140 нм ширина зображення спектральних ліній за рахунок збільшення призм міняється вдвічі.

Рис. 3. Схема щілинного спектрального приладу: 1 – вхідна щілина, 2 – коліматорний об’єктив, 3 – диспергуюча система, 4 – камерний об’єктив, 5 – спектр, D– діючий отвір,– кут між площиною спектра і віссю камери