Лабораторная работа №1ДИСПЕРСИЯ. НАБЛЮДЕНИЕ СПЕКТРОВ.
Цельработы: Ознакомится сназначением, характеристиками и устройством монохроматора. Произвести его градуировку.Применить градуировку монохроматора для определения длин волн источников света.
1. Теоретическая часть и экспериментальная установка Основной характеристикой волн является длина волны l, которая связана с частотой волны n и скоростью волны с соотношением: />. Длина электромагнитныхволн лежит в широких пределах: от значенийпорядка 1000 м (радиоволны) до 10-10 см(гамма-излучение).Свет – это электромагнитные волны с длиной волны от »400 нм до»800 нм. Цветсвета (субъективное восприятие объективной физической характеристики света –частоты волы)определяется частотой электромагнитной волны. Для красногосвета lкр»800нм,зеленого lз»550 нм, фиолетового lф»400 нм. Световые волны строго определенной длины волны называются монохроматическими (одноцветными). Смешанные в определенной пропорции световые волны различныхдлин волн дают белый свет (цвет). Ни один из источников света не дает строгомонохроматического света, т.е. волну строго одной длины волны.
В вакууме световые волны с различной длиной волныраспространяются с одинаковой скоростью с= 300 000 км/с.Но в каком-либо веществе (среде) скорость света меньше, чем в вакууме. Врезультате этого наблюдается явление преломления света при переходе света из однойсреды в другую.
Абсолютныйпоказатель преломления среды n показывает во сколько раз скорость света в вакуумебольше чем в данной среде />.
Кроме того, скорость света в среде зависит от егодлины волны v= f(l). Это явлениеназывается дисперсией.
/> Дисперсия приводит к тому, что показатели преломлениядля света различных длин волн различны. Например, для воды nкр (красныйсвет)= 1,331, nф (фиолетовый свет)= 1,344.
Явление дисперсии можно наблюдать с помощью призмы(рис. 1), в которой световые лучи преломляются дважды на передней и заднейповерхности призмы. С помощью призмы свет разлагается в спектр.
Вид спектров от различных источников света весьма разнообразен.
Спектры излучения можно разделить на тритипа:
· Непрерывные (или сплошные) спектры дают светящиеся тела,находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. В сплошномспектре нет разрывов, что означает присутствие в излучении света всевозможных длин волн. Сплошные спектры дают, например, лампы накаливания.
· Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном(но не молекулярном) состоянии. Такие спектры – это «частокол» цветных линий различнойяркости, разделенных темными промежутками. Для наблюдения линейчатых спектровиспользуют свечение газов или паров веществ в пламени или электрической дуге, атак же газовый разряд в трубке, наполненной исследуемым газом или паром при низкомдавлении.
· Полосатые спектры состоит из отдельных полос, разделенныхтемными промежутками. Полосы образуются путем наложения большого числа близкорасположенных линий. Полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, инаблюдаются в твердых и жидких образцах.
Если пропускать белый свет сквозьхолодный газ, жидкость, раствор, прозрачное твердое тело, то на фоненепрерывного спектра источника наблюдаются темные линии или полосы. Такиеспектры называются спектрамипоглощения (абсорбции).
Спектры несутогромную информацию об их источниках. Изучение спектров позволяет определитьтемпературу излучающего тела, его химический состав, характер движенияисточника, энергетические характеристики атомов и молекул и т. д.
Монохроматор – это один извидов спектральных приборов, предназначенный для разложения излучения в спектрс целью последующего определения физической природы источника этого излучения.Для этого спектр должен быть «растянут» настолько, чтобы в нем не перекрывалисьузкие участки (линии) спектра. Количество, положение и относительныеинтенсивности этих лини строго индивидуальны и характерны для каждого вещества.
/> В настоящей работе изучается монохроматорУМ2 (универсальный монохроматор, модель 2), предназначенный для спектральныхисследований видимого и, частично, инфракрасного и ультрафиолетового излучения.Разложение света здесь осуществляется на основе явления дисперсии. Диспергирующимэлементом в нем является стеклянная призма Аббе.
Оптическаясхема монохроматора показана на рис. 2. Здесь: 1 — исследуемый источниксвета; 2 — конденсорная линза, предназначенная для увеличения яркостиосвещения щели. Ширина входной щели 3 регулируется микрометрическим винтом 4.Объектив 5 формирует параллельный пучок света и направляет его на переднююгрань призмы. Точная настройка (подвижка) этого объектива производится припомощи микрометрического винта 6. Призма Аббе 7 установлена на столике 9,который приводится во вращение барабаном 8. При помощи объектива 10 зрительнойтрубы изображение входной щели монохроматора формируется вблизи фокальнойплоскости окуляра 12. В этой же плоскости помещен визир 11 – острие иглы. Этопозволяет при визуальном наблюдении через окуляр одновременно видеть резкиеизображения входной щели (вертикальные полоски света) и визира. Когда столик 9,на котором укреплена призма 7, барабаном 8 поворачивается относительновертикальной оси, спектр также поворачивается, перемещаясь горизонтально, и вполе зрения
окулярапопадают разные участки спектра.
2. Экспериментальная часть
Задание 1.Подготовка монохроматора к работе
1. Осмотрите монохроматор, проверьте соответствиекомплекта установки рисунку на планшете, который прилагается к прибору.Прочтите имеющиеся на приборах информационные таблички. Пользуясь рисунком напланшете, уясните назначение узлов и ручек управления монохроматором.Рассмотрите блок питания, ртутную и неоновую лампы.
2. На блоке питания включитетумблер «Сеть». На основании монохроматора расположены тумблерывключения освещения шкал и окулярного визира.
3. В поле зрения окуляра наблюдается окулярныйуказатель — визир 11, вертикальное острие иглы. Вращая обечайку окуляра,сделайте визир максимально резким. Поворачивая диск со светофильтрами наверхуокуляра, можно менять цвет подсветки визира. Следует использовать цвет,ближайший к цвету наблюдаемого участка спектра. Интенсивность подсветки визираподбирается регулятором, расположенным рядом с его выключателем.
4. Изучите шкалу отсчетного барабана. Деления набарабане нанесены в градусных единицах j° (2°/дел).Убедитесь, что при прохождении всего барабана, отсчетный флажок с риской несходит с направляющей канавки барабана (при вращении барабана флажок желательнопридерживать пальцем). Отсчет делений ведется по специальной риске с точкой нафлажке.
5. Установите на рельс ртутную лампу вплотную квходной щели монохроматора. Питание лампы осуществляется от специального блока.
Внимание! Ртутная лампа наряду с видимым светомизлучает ультрафиолет, вредный для глаз. Во избежание ожогов сетчатки глаза,лампа помещена в непрозрачный футляр с окошком, направленным в сторону щелимонохроматора.
6. Раскройте входную щель надостаточно большую ширину (ручка микрометрического винта 4). Рукоятку затвора поставьте в положение «Откр.».
7. Приблизив глаз к окулярумонохроматора, вращением барабана 8 пройдите вначале весь спектр в любомнаправлении. В поле зрения должны наблюдаться вертикальные полосы от красногодо фиолетового цветов.
8. Вращая барабан 8, найдите вспектре и установите в поле зрения окуляра яркую двойную желтую линию.Постепенно уменьшая ширину щели и пользуясь ручкой фокусировки 6, добейтесь, чтобылинии стали максимально контрастными – тонкими и яркими. «Желтый дублет» ртутидолжен четко различаться.
9. При просмотре всего спектрартути по краям барабана должен оставаться некоторый запас делений.
Задание 2. Градуировка монохроматора
Цель: Градуировкалюбого измерительного прибора — это установление однозначного соответствиямежду значениями наблюдаемой физической величины и показаниями прибора. Вчастности, при градуировке монохроматора, необходимо установить зависимостьмежду длинами волн линий, наблюдаемых в хорошо изученных (эталонных) спектрах ипоказаниями барабана 8: l= f(j). Эта зависимость должна быть отображена в видеградуировочного графика. В дальнейшем градировочный график может быть использовандля определения длин волн в неизвестных спектрах.
Градуировкавыполняется по линейчатымспектрам газов, длины волн спектральных линий которых уже известны. Внастоящей работе монохроматор градуируется по спектрам паров ртути и инертногогаза неона.
В таблице 1 указаны номер, цвет, длины волн длявсех линий в спектре ртути в диапазоне видимого света от 400 нм до 710нм. Этот спектр излучается в низковольтном дуговом разряде однозаряднымиионами ртути.
Для получения полного спектра ртути необходимоочень хорошо настроить прибор и использовать качественную ртутно-кварцевуюлампу. В студенческой лаборатории удается наблюдать наиболее яркие линии этогоспектра (в таблице выделены жирным шрифтом, яркость линий дана в специальныхединицах).
Обычно хорошо наблюдается одна изоранжевых линий, две близко расположенные желтые линии (дублет), одна яркаязеленая, сине-зеленая (голубая) и синяя яркая. Красные линии спектра ифиолетовую (405 нм), несмотря на относительную яркость последней,наблюдать визуально сложно, так как их цвета лежат на границах цветовоговосприятия человеческого глаза. Но при достаточно хорошей настройке прибора ихвсе же удается наблюдать. Надо понимать, что цвет – характеристика достаточносубъективная и то, что один наблюдатель назовет красным (или синим), другойможет назвать оранжевым (или фиолетовым).
Таблица 1
№ п/п Цвет линии
l, нм
Яркость
№ п/п Цвет линии
l, нм
Яркость
1 Красная
709
20
18 Зеленая
529
2
2 — “ –
708
25
19 — “ –
521
2
3 — “ –
691
25
20 — “ –
513
2
4 — “ –
671
16
21 — “ –
512
4
5 Оранжевая
3
22 — “ –
510
2
6 — “ –
612
2
23 — “ –
502
4
7 — “ –
607
2
24 — “ –
499
3
8 Желтая
587
2
25 Сине-зеленая
492
10
9 — “ –
585
6
26 -“ –
489
3
10 — “ –
580
14
27 — “ –
482
3
11 Яркий желтый дублет
579
100
28 Синяя яркая
436
400
12
577
24
29 — “ –
435
40
13 — “ –
567
16
30 — “ –
434
4
14 Зеленая
555
3
31 — “ –
434
30
15 Зеленая яркая
546
320
32 Фиолетовая
411
4
16 — “ –
538
3
33 — “ –
408
12
17 — “ –
535
6
34 — “ –
405
180
/> />
Отождествление линий в спектрах — это трудоемкая и кропотливая работа. Для ееоблегчения показана схема расположения линий в спектре ртути (рис. 3 а)и их относительные интенсивности (рис. 3 б).
1. Начиная с фиолетового конца спектра, вращая барабан«на себя», поставьте напротив визира первую наблюдаемую линию спектра.
2. В таблицу 1 отчета занеситезначение длины волны линии и отсчет по барабану.
3. Продолжайте градуировку.Отождествите наиболее характерные линии: яркую синюю, очень яркую зеленую, однуиз желтого дублета и т. д. Возможно, удастся наблюдать крайнюю фиолетовую иодну из красных линий.
4. Оцените «на глазок»яркость линий по условной десятибалльной шкале. Самой яркой линии присваиваетсязнак 10, самой слабой – 1.
5. После завершения измеренийртутного спектра выключите ртутную лампу. Ее повторное включение возможно неранее чем через 5-10 минут.
6. Замените ртутную лампу на неоновую, питание которойосуществляется напряжением /> />
220В. Отождествите несколько линий спектра неона. Из спектра неона можно, например,выбрать линию 630 нм из тройки оранжевых линий и две — три другие линии– рис. 4.
7. Естественно, градуировочныекривые, построенные по спектру ртути и по спектру неона, на границе должныплавно сопрягаться.
/>
8. Постройте на миллиметровой бумагеградуировочный график, как показано на рис. 4, откладывая по горизонтальнойоси деления j побарабану, а по вертикальной оси — длину волны l. (Еще лучше, если построение градуировочного графика ведетсяодновременно с измерениями и заполнением таблицы 1 отчета. Тогда будет сразувидно, что какая-либо точка не ложится на плавную кривую, и ее следует «перемерить»). Угловая координата j по оси абсцисс (рис. 5) откладывается в порядкеубывания. Это сделано для того, чтобы точки на графике соответствовалирасположению линий спектра в поле зрения трубы монохроматора. Вначалепостроения графика точки наносятся аккуратно остро отточенным карандашом. Есливозникает разброс точек, то следует перепроверить отождествление линий на этомучастке. После уточнения точки следует отметить более четко. У точек,соответствующих наиболее ярким линиям укажите длину волны. Соедините точкикривой линией. График должен представлять собой гладкую монотонную кривую,проходящую через каждую измеренную точку.
Задание 3. Наблюдение сплошного спектра излучения и спектров поглощения
1. Источником сплошного спектра являетсялампа накаливания. Установите осветитель с лампой накаливания на рельсмонохроматора и пронаблюдайте сплошной спектр лампы.
2. Для наблюдения спектров поглощения вданной работе используются интерференционные фильтры, пропускающие свет в оченьузком интервале длин волн. Вставьте один из фильтров в держатель, укрепленныйна монохроматоре. Измерьте длину волны середины полосы пропускания фильтра.
3. Сравните полученное значение суказанным на фильтре и сделайте вывод о точности измерений.
4. Оценитекачество фильтра: нет ли других, кроме основной, полос пропускания; насколькоузка полоса пропускания.
Задание 4.Измерение длины волны излучения лазера
Определите длину волны излучениявыданного для опыта лазера.
Задание 5. Исследование неизвестного спектра
(выполняется позаданию преподавателя)
1. С помощью градуировочной кривой, построенной дляданного спектрального аппарата в данных условиях можно определять длинуволны линий в спектре любого неизвестного излучения. В настоящей работеисследуется спектр газа, полученный в тлеющем разряде.
2. Установите трубку с газом нарельс прибора вплотную к щели. Подключите ее к источнику питания. Отрегулируйтеположение лампы так, чтобы линии в спектре были максимально яркими.
3. Для каждой спектральной линииизмерьте угловую координату j пошкале измерительного барабана. По градуировочному графику для каждой линии позначениям угла j определяетсядлина волны l (таблица 3отчета).
4. Полученная таблица может быть сверена созначениями, взятыми из спектральных таблиц.
5. Описанные выше операции составляют основу методаидентификации вещества по его спектру – так называемого «качественного»спектрального анализа.
Отчетпо лабораторной работе № 1
Дисперсия.Наблюдение спектров
выполненнойстудент курса, группа
…………………………………………………………………………………
«……» …………… 200 г.
Задание 2.Градуирование монохроматора УМ2
Таблица1
№
п/п Цвет
l, нм
из таблицы
j, °
Яркость
«на глазок» Ртуть 1 2 3 4 5 6 7 8 Неон 9 10 11 12
/>
Задание3. Наблюдение сплошного спектраизлучения и спектров
поглощения
Таблица 2№ п/п
j,°
l, нм
по градуировке
l, нм
указанная на фильтре
±Dl, нм Качество фильтра 1 2 3 4 5 6 7
Задание 4. Измерениедлины волны излучения лазера
Задание 5. Исследование неизвестного спектра Таблица 3
Газ ……………………№ п/п Цвет Яркость
j,°
l, нм
по
градуировке
l, нм
табличное значение
±Dl, нм 1 2 3 4 5
Вывод: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………