Оптика школьного двухтрубного спектроскопа

1. Коллиматор со щелевым устройством — простейшего типа. Объектив коллиматора однолинзовый.

Характеристика объектива:

Фокусное расстояние................................104,35 мм

Относительное отверстие........................1:6,5

2. Призма 60-градусная, равносторонняя. Сорт стекла призмы — тяжелый флинт, обладающий значительной дисперсией.

Призма спектроскопа обычно устанавливается под углом наименьшего отклонения, т. е. в том её положении, когда ход лучей, лежащих в плоскости, перпендикулярной к преломляющему ребру (плоскость главного сечения) призмы, симметричен; внутри примзы преломленный луч идет параллельно основанию призмы (рис. 3).

Угол между входящим в призму и выходящим из нее лучом для желтого цвета равен 127°4'.

Угол наименьшего отклонения призмы равен 52°56^/.

3. Зрительная трубка включает в себя очень простую оптику: однолинзовый объектив и однолинзовый окуляр.

Характеристика зрительной трубки:

Фокусное расстояние объектива……………104,35 мм

Относительное отверстие…………………...1:6,5

Фокусное расстояние окуляра………………31,35 мм

Увеличение зрительной трубки…………….3,3х

Поле зрения трубки………………………….7°

Понятие о разрешающей способности прибора.

Теоретическая разрешающая способность спектроскопа равна 1000 (в случае бесконечной узкой щели). Мерой разрешающей способности спектроскопа принято считать отношение средней длины волны двух едва разрешаемых прибором спектральных линий к разности длин их волн.

Практически разрешающая способность несколько занижена в основном по двум причинам:

1) Несовершенство оптической системы — сферическая аберрация объективов и астигматизм, вносимый призмой и объективами.

Рис.4

Поле зрения зрительной трубки

2) Наличие конечных размеров щели.

Словесное истолкование понятия разрешающей способности заключается в следующем: призма спектроскопа может разделить две спектральные линии, длины волн которых отличаются только на одну тысячную своей величины.

Пример:

Длины волн двух спектральных линий элемента натрия 5890 Å и 5896 Å.

При разрешающей способности 1000:

Разность же длин волн: 5896—5890 = 6 Å.

Значит, прибор почти разрешает (теоретически) линии натрия, т. е. они должны быть видимы раздельно.

Основные правила работы со спектроскопом

Сборка прибора. Выложить из картонной коробки все узлы спектроскопа: а) подставку; б) столик, к которому привинчены стойка, неподвижный и подвижный кронштейны, оправа с призмой и микрометрический винт; в) коллиматорную трубку; г) зрительную трубку и д) колпачок.

Вставить в гнездо подставки стойку и застопорить ее закрепляющим винтом.

Ослабить винт и гайку неподвижного кронштейна и вставить в гнездо коллиматорную трубку объективом к призме так, чтобы расстояние между торцом оправы объектива и возвышающимся пояском столика было 1—3 мм.

Таким же образом вставить зрительную трубку в гнездо подвижного кронштейна. Причем вырез на окулярном конце трубки должен находиться внизу. Затем поместить перед щелью источник света, например электролампочку, и наблюдая спектр, выравнив его, вращая коллиматорную трубку вокруг ее геометрической оси. Правильно установленный спектр свидетельствует о том, что щель коллиматорной трубки расположена вертикально.

При помощи отвертки с легким усилием затянуть винт кронштейна.

Таким же образом вращать зрительную трубку, чтобы привести в вертикальное положение металлическую нить, видимую в поле зрения прибора.

Рис. 5

Установка спектроскопа. Прежде чем пользоваться прибором, его следует тщательно установить. Для этого необходимо: 1) установить источник света, 2) установить зрительную трубку и коллиматор на параллельные лучи (на бесконечность), 3) проградуировать винтовой микрометр.

1. Установка источника света. Источник света должен быть установлен так, чтобы изображение спектра получилось наиболее ярким. Это будет в том случае, когда лучеиспускающая поверхность (рис. 5) целиком заполняет сечение конуса аSб, образованного крайними лучами, идущими от щели S к краям объектива.

Но такое расположение источника света не всегда возможно; слабые источники пришлось бы ставить слишком близко от щели, что при некоторых источниках (например, газовая или спиртовая горелка) может вызвать нагревание прибора и порчу стеклянной пластинки и щели.

Поэтому, чтобы удовлетворить вышеуказанному требованию, пользуются следующим приемом. Перед щелью коллиматора, строго на оси его, помещают собирательную линзу (конденсор) так, чтобы она заполняла сечение конуса аSб. Ее расстояние от щели при этом определяется из пропорции:

где D— диаметр линзы коллиматора, d — диаметр линзы конденсора, L — расстояние от линзы коллиматора до щели (равно фокусному расстоянию коллиматора),

l — расстояние от конденсора до щели. Источник света помещают на таком расстоянии от линзы конденсора, чтобы его отчетливое изображение находилось в плоскости щели коллиматора.

2. Установка зрительной трубки и коллиматорной трубки на бесконечность.

Завод-изготовитель гарантирует установку коллиматора на бесконечность (разбирать трубку коллиматора не рекомендуется, чтобы не нарушать заводскую установку коллиматора на бесконечность).

Чтобы установить на бесконечность зрительную трубку, нужно передвигать окуляр относительно объектива до барабанчике микрометрического винта, строят в прямоугольной системе координат получения отчетливого изображения щели, т. е. спектра. При этом металлическая нить должна быть расположена параллельно полосам спектра и не вызывать параллакса при совмещении ее с линиями спектра.

Параллакс отсутствует, если при малом перемещении глаза вдоль выходного зрачка окуляра трубки не наблюдается смещения изображения.

3. Градуирование винтового микрометра. Градуирование выполняется при помощи неоновой лампы, которую следует установить против щели коллиматора. В спектре неона имеется ряд ярких линий, расположенных в различных частях спектра. Длины волн неоновых линий даны в таблице.

Определив положение этих линий на график градуирования микрометра.

Для этого откладывают на оси абсцисс деления барабанчика, а по оси ординат — длины волн неоновых линий и вычерчивают соответствующую кривую. Такой график, который следует, вычертить достаточно точно, дает возможность определить длину волны любой линии в спектре, если предварительно было определено ее положение на барабанчике микрометра.

Таблица длин волн некоторых линий в спектре неона

№ п/п	Положение и окраска линии	Относительная ЯРКОСТЬ	Длина ВОЛНЫ в Å
1	Ярко-красная	10	6402
2	Красно-оранжевая левая из двух близких линий	10	6143
3	Оранжевая первая заметная влево от 4-й	5	5945
4	Желтая	25	5852
5	Светло-зеленая, первая заметная вправо от 4-й	4	5760
6	Зеленая левая из двух одиноких линий	6	5400
7	Зеленая правая из двух одиноких	8	5330
8	Зеленая правая из пяти равноудаленных линий	5	5031
9	Сине-зеленая одинокая	8	4859

Примечания:

1. Длины волн измеряются в ангстремах: 1 Å=1 • 10^-8 см.

2. Градуирование винтового микрометра можно выполнить и при помощи водородной разрядной трубки.

В этом случае нужно построить график градуирования микрометра по четырем видимым линиям серии Бальмера, длины волн которых следующие;

4102 Å; 4340 Å; 4861 Å и 6563 Å.