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.

Н аиболее 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.