optika-1

стоятельные приборы для получения монохроматического перестраиваемого излучения. Такое излучение может использоваться по-разному; например, в фотобиологии - для облучения изучаемых биообъектов. В то же время монохроматоры могут служить в качестве основной части ряда спектральных приборов - спектрометров, спектрофотометров и др.

3)спектроскоп - это прибор, предназначенный только для визуальных наблюдений спектра. Иногда спектроскопы снабжаются шкалой для грубого определения длин волн спектра. Чаще спектроскопы имеют механическое отсчетное устройство, после градуировки которого можно определять длины волн спектра излучения или поглощения. Спектроскоп такого типа и является предметом изучения и использования в настоящей лабораторной работе.

4)спектрометр - позволяет проводить точные измерения длин волн изучаемого спектра. Эти приборы представляют собой большие спектроскопы с прецизионной (точной) настройкой прибора на определение длин волн спектра. В последние годы такие измерения предпочитают делать, используя фотографический или фотоэлектрический методы, позволяющие определять не только длину волны спектра, но и энергию излучения данной линии спектра. Поэтому название "спектрометр" утеряло свой первоначальный смысл: спектрометром обычно называют монохроматор, снабженный устройством для количественной регистрации распределения энергии в спектре.

5)спектрофотометр - это спектрометр, предназначенный для исследования спектров поглощения или отражения. Он отличается от спектрометра конструктивными особенностями. Как правило, спектофотометры позволяют определять коэффициент пропускания света веществом T (отношение энергии света, прошедшего через объект исследования, к энергии светового потока, падающего на этот объект). В иных спектрофотометрах определяется "оптическая плотность" изучаемого объекта: D = lg ( 1 / T ). Некоторые спектрофотометры снабжены устройством сканирования (пространственного перемещения) дисперсионного элемента прибора, что дает возможность определять изучаемый спектр не по отдельным его точкам, а получать непосредственно график зависимости величины D от длины волны для данного изучаемого объекта.

5.Устройство и принцип действия призменного спектроскопа

Рассмотрению принципа действия спектроскопа предпошлем краткий анализ хода монохроматического, а затем белого света через призму.

Пусть на призму ABC (рис.7а) падает луч монохроматического излучения: угол α называется углом преломления призмы; угол γ - угол отклонения светового луча. Для простоты на рис.7а луч, падающий на призму, и преломленный луч изображены симметрично; при таком положении призмы световой луч в ней идет параллельно основанию призмы AC. Световой луч, дважды испытывая преломление, отклоняется от первоначального направления на угол γ. Очевидно, что этот угол

51

при симметричном расположении призмы зависит от показателя преломления света веществом и геометрии призмы (угла α):

Рис.7.

Отметим, что, как показывает теория, при симметричном расположении призмы в спектральном приборе последний обладает наилучшими метрологическими характеристиками. Поэтому призма спектрального прибора всегда юстируется (располагается) возможно ближе к симметричному положению.

Известно, что показатель преломления вещества n зависит от длины волны излучения λ. Тогда из (8) легко видеть, что при неизменной геометрии призмы (α=const) угол отклонения светового луча γ также становится зависящим от длины волны излучения λ. Это приводит к тому, что световые лучи разных длин волн по-разному отклоняются призмой.

Если на призму ABC (рис.7б) направить луч белого света, то лучи разного цвета (разной длины волны λ) разворачиваются в пространстве. Луч фиолетового света сильнее отклоняется призмой, чем красный; лучи остальных цветов расположены между ними.

Рассмотрим ход лучей в призменном спектроскопе (рис.8). Спектроскоп состоит из коллиматора 1, призмы 2 и зрительной трубы 3. В состав коллиматора входят световая входная щель 4 и объектив 5. Зрительная труба включает в себя объектив 6, окуляр 7 и металлическую нить, расположенную вертикально (перпендикулярно плоскости листа рисунка, на рис.8 нить не указана) и предназначенную для наведения спектроскопа на измеряемую спектральную линию. Зрительная труба с помощью винтового микрометра может поворачиваться в горизонтальной плоскости вдоль спектра (в плоскости листа рисунка).

52

2) угловая дисперсия спектроскопа. Угловая дисперсия спектроскопа dγ / dλ показывает, насколько сильно изменяется угол отклонения светового луча призмой спектроскопа при изменении длины волны света;

3)линейная дисперсия спектроскопа. Линейная дисперсия спектроскопа dL

/dλ показывает, насколько смещается изображение входной щели в фокальной плоскости объектива 7 (рис.8), если монохроматическое излучение изменяет

свою длину волны на некоторую величину dλ.

Совершенно очевидно, что все упомянутые выше характеристики спектроскопа взаимосвязаны:

где F - фокусное расстояние объектива 7.

Кроме того, используя (8) и (9), нетрудно показать, что

В частности, для спектроскопа, изучаемого в настоящей лабораторной работе, угол преломления призмы α равен 60°. Тогда из (10) следует:

4) разрешающая способность спектроскопа. Под разрешающей способностью (силой) спектроскопа R понимают отношение наблюдаемой длины волны λ к наименьшей разности двух длин волн dλ, которые еще могут быть разрешены прибором, т.е. различимы спектроскопом (при разности двух длин волн исследуемого излучения меньше величины dλ оба световых потока воспринимаются исследователем как излучение на одной длине волны):

Нетрудно показать, что разрешающая способность R пропорциональна дисперсии призмы:

где S - длина основания призмы спектроскопа (см. рис.7а);

5) светосила спектрального прибора. Светосила спектрального прибора характеризует количество световой энергии, попадающей на приемник излучения на выходе из спектрального прибора. Эта характеристика прибора определяется коэффициентом пропускания T оптических элементов, входящих в состав прибора, его геометрией. Очевидно, что чем больше светосила прибора,

54

тем выше возможности спектрального прибора, в частности, в исследовании спектра слабых световых потоков.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В экспериментальной части настоящей лабораторной работы следует выполнить следующие задания:

-снять градуировочную кривую спектроскопа, используя известный спектр паров ртути;

-определить неизвестный спектральный состав неона;

-определить интервалы длин волн, соответствующие семи цветам белого света;

-определить спектр поглощения жидкостей, предложенных преподавателем;

-используя градуировочную кривую, определить характеристики спектро-

скопа: dL / dλ , dγ /dλ , dn / dλ , R.

1.Градуировка спектроскопа

1)установка источника света

Для градуировки спектроскопа в качестве источника света используется газоразрядная трубка, наполненная парами ртути, спектр которой известен.

В Н И М А Н И Е !

*Для питания газоразрядных трубок (трубок Гейслера) используется высокое напряжение - порядка 350 В. Инструкцию по включению высокого напряжения получить у лаборанта.

При включении высокого напряжения в трубке возникает разряд, сопровождающийся видимым свечением. Установить светящуюся трубку против щели коллиматора так, чтобы изображение спектра было наиболее четким и ярким; при этом следует добиться наблюдения всех линий спектра паров ртути.

2) градуировка винтового микрометра Для определения относительного расположения линий и полос спектра

служит винтовой микрометр, отклоняющий зрительную трубу на некоторый угол в горизонтальной плоскости (рис.9).

Винтовой микрометр состоит из втулки 1 и головки 2. На втулке име-ется линейная шкала, на которой нанесены целые деления микрометра. Шкала головки микрометра состоит из 50 равных делений. Винт микрометра нарезан

так, что за один оборот головки она смещается вдоль шкалы втулки на одно полное деле- Рис.9.

ние. Таким образом, повороту головки микрометра на одно деление соответствует ее смещению на 1/50, или 0.02, часть деления вдоль линейной шкалы втулки микрометра. Для наведения зрительной трубы на определенную спектральную линию излучения в поле зрения спектроскопа име-

55

ется металлическая риска (рис.10). После установки зрительной трубы на определенную спектральную линию производится отсчет делений по шкалам винтового микрометра. При этом: а) целые деления микрометра отсчитываются по продольной шкале, начиная от левого крайнего штриха, который считается нулевым; б) сотые доли определяются по тому штриху шкалы головки микрометра, который приходится против продольной черты на втулке 1. Полный отсчет по винтовому микрометру равен:

[ число делений продольной шкалы ] + 0,02 × [ число делений на головке микрометра ].

Например, полный отсчет по микрометру для случая, изображенного на рис.10, равен 8+0.02*41=8.82.

Винтовой микрометр позволяет определить относительное расположение той или иной линии спектра, но не дает возможности непосредственного измерения длины волны линии спектра. Для того чтобы определить длины волн спектра, необходимо проградуировать спектроскоп, то есть получить его градуировочную кривую.

Для построения графика с помощью спектроскопа наблюдают линейчатые спектры веществ, для которых известны длины волн, соответст-вующие линиям спектра.

Устанавливая риску зрительной трубы спектроскопа в поле его зрения поочередно на все линии спектра паров ртути, следует определить соответствующие показания шкал микрометра и записать результаты в таблицу 1:

В таблице 1 приведены длины волн, соответствующие спектру паров ртути; длины волн указаны в нанометрах ( 1 нм = 10-9 м ).

По данным таблицы 1 построить градуировочную кривую для данного спектроскопа, откладывая по горизонтальной оси число делений шкалы микрометра спектроскопа L в мм, а по вертикальной шкале - соответст-вующие длины волн спектра паров ртути в нм (пределы шкалы длин волн целесообразно выбрать от 400 до 800 нм). При построении графика следует учесть, что полученная кривая не является чисто иллюстративным материалом; эта градуировочная кривая является рабочим графиком: по нему можно определять длины волн неизвестного исследуемого спектра. Поэтому градуировочный график должен быть достаточно большим (мелкий масштаб по его осям), что позволит более точно определять спектральный состав излучения (поглощения) различных веществ.

56

На градуировочной кривой на длине волны λ = 500 нм задать малый интервал длин волн dλ (по вертикальной оси) и определить соответствующий интервал перемещения зрительной трубы dL (по горизонтальной оси). С помощью найденных интервалов определить величину линейной дисперсии спектроскопа dL / dλ.

2) определение угловой дисперсии спектроскопа

Используя найденное значение линейной дисперсии спектроскопа dL / dλ, по формуле (9) определить величину угловой дисперсии спектроскопа dγ / dλ , полагая фокусное расстояние F объектива 6 (рис.8) равным 80 мм.

3) определение дисперсии призмы спектроскопа

Используя найденное значение угловой дисперсии спектроскопа dγ / dλ, по формуле (11) определить величину дисперсии призмы спектроскопа dn / dλ.

4) определение разрешающей способности спектроскопа

Используя найденное значение дисперсии призмы спектроскопа dn / dλ, по формуле (13) определить величину разрешающей способности спект-роскопа R, полагая длину основания призмы спектроскопа S равной 20 мм.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Вещество как источник оптического излучения. Понятие спектра излучения (поглощения) вещества.

2.Диапазон оптического излучения. ИК-, видимое и УФ-излучение. Границы видимого излучения.

3.Квантовая природа излучения и поглощения света атомами. Энергия кванта излучения - фотона.

4.Постулаты Бора. Стационарные орбиты электронов. Энергия электронов на стационарных орбитах. Изменение энергии электронов (атомов) при излучении и поглощении света.

5.Энергетические диаграммы. Формулы для частот излучения (поглощения) атома.

6. Электронные переходы и спектральные серии. Сериальные форму лы. Постоянная Ридберга.

7. Спектры излучения и поглощения вещества. Виды спектров. Спект-ры газов, жидкостей и твердых тел.

8.Основные типы спектральных приборов.

9.Основные характеристики спектральных приборов.

10.Дисперсия света, ее использование для получения спектров излучения

спомощью призмы.

11.Оптическая схема призменного спектроскопа. Назначение коллиматора, призмы, зрительной трубы спектроскопа.

12. Градуировочная кривая спектроскопа, ее назначение.

58

13. Как выглядят в спектроскопе сплошной и линейчатый спектры излучения?

14. Как выглядит в спектроскопе спектр поглощения жидкости?

ЛИТЕРАТУРА

1.Методическое руководство к лабораторным занятиям "Оптические методы и аппаратура для биомедицинских исследований", лабораторная работа 4.

2.Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики. М.: Высш. шк., 1982. С.349-351.

3.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Высш. шк., 1987. С.510-511, 514-515, 521-524.

4.Ливенцев Н.М. Курс физики для медицинских институтов. М.: Высш. шк., 1978. Т.1. С.236-238; Т.2. С.20-25.

5.Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. М.: Высш. шк., 1982. С.203-209.

6.Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1976. С.66-68.

7.Физический практикум / Под ред. Ивероновой В.И. М.: Физматлит, 1962. С.786-795.

59