5.1.2.4.2. Спектральні прилади

Розкладення світла в спектр лежить в основі роботи призмових спектральних приладів, що дозволяють аналізувати спектральний склад випромінювання та поглинання різних матеріалів.

Спектроскоп – найпростіший призмовий спектральний прилад, що використовується для дослідження спектрального складу світла, тобто спостереження спектрів. Тому він обов’язково містить у собі пристрій для розкладання світла за довжинами хвиль. У призмовому спектроскопі таким пристроєм є призма П із скла з великою дисперсією. Відмітимо, що існують і інші спектральні прилади, в яких диспергуючим пристроєм є не призма, а дифракційна гратка, про що буде сказано далі. Схему спектроскопа наведено на рис. 5.1.25, де К - коліматорна труба (коліматор) із щілиною S та об’єктивом О₁, Т - зорова труба з об’єктивом О₂ та окуляром О_к .

Призначення коліматора К - створити паралельний пучок променів досліджуваного світла і направити його на призму П. Для цього щілину S встановлено у фокальній площині F₁ об’єктива О₁. Ширину щілини можна змінювати.

Якщо щілину освітлювати монохроматичним світлом (наприклад, червоним), то призма П відхилить промені, а об'єктив О₂ зорової труби дасть у своїй головній фокальній площині F₂ зображення щілини - червону лінію S_чер.

Якщо джерело випромінює набір монохроматичних ліній з довжинами хвиль …., то внаслідок дисперсії призма П відхилить промені різних довжин хвиль на різні кути. Тому у фокальній площині объектива О₂ створюється стільки зображень щілини (тобто ліній відповідного забарвлення), скільки довжин хвиль випромінює джерело світла. Так у фокальній площині виникає так званий лінійчастий спектр (детальніше про типи спектрів буде сказано нижче). його розглядають у збільшеному вигляді через складний окуляр О_к , що складається з лінз О₃ та О₄, закріплених на рухомих тубусах. Між лінзами знаходиться візирна нитка Н. Переміщенням лінзи О₄ добиваються її чіткого зображення, а переміщенням окуляра О_к - чіткого зображення ліній спектра: такого зображення можна досягнути, якщо щілина S є досить вузькою і паралельною заломлюючому ребру призми. Зорову трубу можна переміщувати вздовж спектра спеціальним мікрометричним гвинтом (як правило з ціною поділки шкали 0,01 мм - 0,02 мм)

Для вимірювання довжини хвиль спектральних ліній за допомогою спектроскопа його потрібно попередньо проградуювати. Для цього використовуються спектри газів з наперед відомими довжинами хвиль ліній (визначеними, наприклад, за допомогою дифракційної гратки високої розділювальної здатності). Градуювання полягає в тому, що знаходять положення кількох цих ліній на шкалі мікрометричного гвинта спектроскопа, суміщаючи послідовно кожну з них з візирною ниткою Н в окулярі О_к. Потім на осі абсцис відкладають знайдені положення ліній, а на осі ординат – довжини їх хвиль. Далі будують градуювальну криву. Отримавши її, можна визначити довжину хвилі будь-якої спектральної лінії, якщо знайти її положення на шкалі мікрометричного гвинта. Як правило в спектроскопії градуювання спектроскопа проводиться за спектрами водню, гелію, ртуті. Спектри всіх хімічних елементів в даний час описані з дуже великою точністю і містяться в так званих атласах спектральних ліній хімічних елементів.

Якість призмового спектрального приладу характеризують кутовою дисперсією , яка залежить від заломлювального кута призми та матеріалу, з якого її виготовлено.

Під час розгляду дифракційної гратки було показано, що при освітленні гратки складним світлом останнє розкладається за довжиною хвилі на складові у різних напрямках і на екрані утворюється дифракційний спектр. Отже, дифракційна гратка може бути, як і призма, основною частиною дифракційного спектрального приладу. Її якість характеризують роздільною здатністю. Якщо взяти відношення довжини хвилі двох близьких хвиль ( та ) до величини інтервалу між цими двома лініями в спектрі то така величина і буде роздільною здатністю гратки . Ця величина пропорційна порядку спектра k та числу щілин у гратці N (або постійної гратки d), тобто:

.

Співставивши якості дифракційної гратки і призми, як основних складових частин спектральних приладів, відмітимо наступне. Спектральні прилади з дифракційною граткою мають 1) велику роздільну здатність; 2) прилад з однією й тією самою граткою придатний для дослідження спектра в різних його частинах – видимій, ультрафіолетовий, інфрачервоний. Однак такі прилади не дуже чутливі і їх не можна використовувати для надслабких джерел світла. Спектральні прилади з призмою мають більшу чутливість і рівномірнішу дисперсію за частотою. Але для досліджень у різних частинах спектра потрібні призми з різних матеріалів: для видимої – зі скла, для ультрафіолетової – з кварцу, для інфрачервоної – з хлористого натрію (кам’яної солі), хлористого калію, фтористого літію.

У спектроскопах спектр розглядають крізь окуляр. В спектрографах у площині F розміщують фотопластинку і спектр фотографують. Сучасні спектрофотометри здатні сприймати та реєструвати випромінювання в інтервалі 50 нм – 1200 нм, тобто не лише у видимій частині світла, а і в діапазоні УФ та ІЧ випромінювання. Нагадаємо, що діапазон видимого світла лежить приблизно від 400 нм до 800 нм

Слід зауважити, що для визначення довжини хвиль на фотознімку дифракційного спектра досить знати сталу гратки та відстань від неї до фотопластинки. Для визначення ж довжини хвиль на спектрограмі призмового спектрографа потрібно заздалегідь проградуювати його шкалу за відомим спектром (наприклад, спектром випромінювання ртутної лампи, яка має у видимому діапазоні велику кількість ліній, положення яких відомо з великою точністю і приведено в атласі спектральних ліній).