-36-

Общие положения о работе в оптической лаборатории

I. Поведение в лаборатории.

1. Заходить в лабораторию можно только после звонка с преподавателем или лаборантом.

2. Находиться в верхней одежде и приносить ее с собой строго запрещается.

3. Во время занятий соблюдать тишину, не ходить без необходимости по лаборатории.

II. Техника безопасности.

1. При работе с лазерной установкой категорически запрещается смотреть навстречу лазерному лучу;

2. во избежание теплового ожога не трогать руками кожухи проекционных ламп, используемых в работах;

3. при отключении приборов от сети не тянуть за шнур, а браться только за вилку.

III. О работе с приборами

При работе в оптической лаборатории необходимо помнить, что оптическая аппаратура требует особо бережного отношения не только в силу высокой стоимости, но из-за особой чувствительности к механическим повреждениям.

Категорически запрещается:

1. Протирать и трогать пальцами линзы, решетки, призмы, окуляры и объективы приборов.

2. Прилагать усилия при работе с ручками настройки приборов.

3. Сдвигать с места приборы и установки.

IV. Подготовка и выполнение лабораторных работ

При подготовке к лабораторным работам (дома) необходимо:

1. Внимательно прочитать описание лабораторной работы.

2. В тетрадь для лабораторных работ внести схемы, рабочие формулы, формулы для расчета погрешностей, начертить таблицы; если нужно будет построить график, то заготовить миллиметровую бумагу.

3. Просмотреть конспект лекций и соответствующие разделы учебника, где излагается сущность применяемых в работе физических явлений и законов.

В лаборатории нужно ознакомиться с приборами, получить допуск у преподавателя и после разрешения можно начинать измерения. Экспериментальные данные должны быть записаны в таблице чернилами.

Графики выполняются на миллиметровой бумаге и вклеиваются в отчет.

После окончания эксперимента студент отключает приборы, приводит рабочее место в порядок и показывает данные преподавателю, который ставит свою подпись. Данные без подписи преподавателя считаются не действительными. Если работа выполнена неверно или студент не успел окончить эксперимент, то он получает допуск на дополнительные занятия, где заканчивает работу.

1. Изучение спектрального аппарата

Целью настоящей работы является ознакомление с принципом действия и работой спектрального аппарата - универсального монохроматора УМ-2, построение градуировочного графика монохроматора и определение его дисперсии.

1.1. Теоретическое введение

Спектральные аппараты служат для пространственного разделения лучей различных длин волн.

Ход лучей (рис.1.1) следующий: свет от источника 1 проходит через конденсор 2 и освещает щель коллиматора 3, которая расположена в фокальной плоскости объектива 4. Из объектива 4 лучи света выходят параллельным пучком и направляются на диспергирующую систему 5, которой является трехгранная призма. Если источник испускает сложный свет, то вследствие того, что различные длины волн по-разному преломляются в призме (преломление тем больше, чем короче длина волны), произойдет разложение света на монохроматические составляющие, и из призмы выйдут параллельные пучки лучей, соответствующие волнам определенной длины: λ₁, λ₂, ... , как показано на рис.1.1. Эти параллельные пучки лучей соберутся в фокальной плоскости 7 объектива 6 зрительной трубы в виде спектральных линий. Из оптической схемы нетрудно понять, что эти спектральные линии являются цветными изображениями щели 3. Спектр может наблюдаться глазом через окуляр 8, а также фотографироваться фотокамерой или регистрироваться каким-либо специальным устройством.

Спектры испускания бывают: линейчатые, сплошные и полосатые. Линейчатые спектры дают светящиеся газы и их пары (их атомы), сплошные - раскаленные твердые и жидкие тела, полосатые спектры образуются при свечении газов, состоящих из молекул. Линейчатые спектры состоят из отдельных спектральных линий, полосатые - из близко расположенных групп линий, сливающихся в полосы. Можно наблюдать спектры поглощения, когда на пути лучей от источника ставится вещество, поглощающее те или иные частоты. Спектр поглощения имеет темные линии или полосы на тех местах, которые соответствуют поглощенному свету. Спектры поглощения бывают: сплошные, линейчатые, полосатые.

Происхождение спектров объясняется лишь квантовой теорией, согласно которой энергия излучается и поглощается отдельными порциями - квантами. Величина энергии кванта e = hν, где h – постоянная Планка, ν - частота. Каждый химический элемент имеет свой спектр излучения, отличающийся набором длин волн, яркостью линий. Известный физический метод определения состава вещества по их спектру спектральный анализ - основан на изучении линейчатых спектров.

Одной из основных характеристик спектрального аппарата является дисперсия. Дисперсией спектрального аппарата называется угловое или линейное расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на 1 Ǻ (в 1 мм содержится 10⁷ Ǻ), (1 градус = 60 угл. мин = 3600 угл. с).

Угловая дисперсия - угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на 1 Ǻ. Измеряется в угловых секундах на ангстрем.

Линейная дисперсия - линейное расстояние между спектральными линиями, отличающимися на Δλ=1 Ǻ. Обычно измеряется в мм на ангстрем.

Угловая дисперсия Д определяется следующим образом: если двум спектральным линиям, отличающимся по длине волны на δλ, соответствует разница в углах, равная δφ, то мерой угловых дисперсий будет отношение:

. (1.1)

Зная угловую дисперсию Д, нетрудно получить линейную:

. (1.2)

Действительно, пусть расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на δλ, равно δl. Это расстояние при малых углах связано с углом δφ равенством:

,

где f - фокусное расстояние объектива зрительной трубы (рис.1.2).

Следовательно, линейная дисперсия:

. (1.3)

Таким образом, линейная и угловая дисперсии связаны так:

. (1.4)

Дисперсия спектральных аппаратов имеет различное значение в различных участках спектра. Поэтому угловое и линейное расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на одну и ту же величину, будет также различным в разных участках спектра. Это различие обусловлено тем, что дисперсия спектрального аппарата зависит от собственной дисперсии диспергирующего устройства.

Если диспергирующим устройством является диспергирующая призма, то дисперсия спектрального аппарата будет связана с дисперсией показателя преломления материала, из которого сделана призма.

Угловую дисперсию можно выразить в виде:

. (1.5)

В призменных спектральных аппаратах призма обычно устанавливается вблизи положения наименьшего отклонения. Угол отклонения имеет минимальное значение при симметричном прохождении света через призму.

Зная преломляющий угол призмы A (рис.1.3), а также угол наименьшего отклонения φ₀, нетрудно получить из закона преломления следующее равенство:

. (1.6)

Далее, заметив, что по закону преломления

получим окончательно следующую формулу для угловой дисперсии:

. (1.7)

Таким образом, дисперсия призменного спектрального аппарата прямо пропорциональна дисперсии материала призмы дn/дλ.

Н а рис.1.4 приведена кривая нормальной дисперсии для стекла в видимой области спектра. Для всех прозрачных веществ показатель преломления монотонно возрастает с уменьшением длины волны. Длина волны фиолетовых лучей меньше красных, поэтому в призме сильнее преломляются фиолетовые лучи. Если вещество не прозрачное, поглощает лучи каких-то длин волн, то вблизи этих λ ход нормальной дисперсии нарушается - аномальная дисперсия.

В данной работе предлагается:

1. Определить линейную дисперсию спектрального аппарата монохроматора УМ-2 в диапазоне видимого спектра.

2. Найти графический закон изменения дисперсии в зависимости от длины волны.