методички для заочников / Длина волны и спектр

11

данного газа. Такого рода спектр, называемый спектром поглощения, обусловлен тем, что, согласно закону Кирхгофа, газы поглощают точно те линии спектра,

которые они сами излучают. Примером спектра поглощения может служить спектр поглощения солнечной атмосферы (фотосферы): на сплошном спектре из-

лучения Солнца отчетливо видны черные линии поглощения, называемые фра-

унгоферовыми линиям.

Исследование спектров имеет очень большое значение для выяснения про-

цессов, происходящих в атомах и молекулах, и познания структуры вещества.

Современный спектральный анализ обладает огромной чувствительно-

стью. Он определяет наличие 10-10г вещества и широко используется в про-

мышленности и науке.

Призмы применяются в спектрометрах и спектрографах для получения дисперсионных спектров.

Назначение и устройство прибора для определения

длины световой волны

Прибор состоит из деревянного бруска 1, прямоугольного сечения длин-

ной 532 мм, на верхней стороне которого нанесена шкала с миллиметровыми делениями (рис. 2). На боковых сторонах бруска сделаны пазы по всей длине.

По середине бруска, снизу прикреплена металлическая скоба 2, в которой шарнирно соединён металлический стержень 3, позволяющий брусок закрепить под разными углами с помощью винта 4.

К торцу передней части бруска прикреплена рамка 5, в которую вклады-

вается дифракционная решётка с 50 или со 100 штрихами на 1мм.

С другого конца на брусок надевается ползунок с вертикальным экраном 6,

лапки которого могут перемешаться в пазах бруска по всей длине.

Верхняя часть экрана окрашена в чёрный цвет, а на нижнюю-наклеена белая шкала 7 с чёрными миллиметровыми делениями. Нуль шкалы расположен в се-

12

редине щитка. Сантиметровые деления отмечены порядковыми цифрами, впра-

во и влево от нуля.

Рис. 2. Прибор для определения длины световой волны

Над нулевым делением в экране сделано небольшое прямоугольное окно

8, оканчивающееся вдоль нулевого деления шкалы, прорезью.

К прибору прилагается одна дифракционная решётка с 50 или 100 делениями на

1мм.

В лабораторной работе определяют длины световой волны фиолетовых и красных лучей на грани их видимости. Для этого отсчитывают по шкале в пер-

вых спектрах, расположенных по обе стороны от окна, расстояние от середины шкалы до крайних фиолетовых лучей и крайних красных. Если полученные значения у левого спектра отличны от соответственных значений у правого, то находят средние значения как для фиолетовых, так и для красных лучей (сумму значения делят на 2).

Затем по шкале на бруске определяют в миллиметрах расстояние от щит-

ка до дифракционной решётки, которая расположена на нулевом делении шка-

лы. Разделив расстояние d от середины шкалы щитка до наблюдаемого луча на

13

расстояние l от щитка до дифракционной решётки, получают тангенс под ко-

торым виден данный луч.

Синус этого угла равен отношению длины световой волны наблюдаемого луча к расстоянию между соседними штрихами решётки (т.е. постоянной ре-

шётки а).

Так как угол мал, то без существенной погрешности можно допустить,

100

1мм. Если определяют длину световой волны по спектрам второго порядка, то вместо , надо поставить 2 .

Тогда d 2 , откуда d a . l a 2l

Для получения более точных результатов необходимо l выбирать воз-

можно большим и передвигать ползунок со щитком по рейке до тех пор, пока начало (или конец) спектра не окажется на штрихе шкалы щитка и d выразится в целых миллиметрах.

Результаты, которые получают при работе с прибором, можно видеть из следующего примера. Крайние фиолетовые лучи видны на расстояние 11 мм от нулевого деления шкалы (как справа, так и слева). Шкала отстоит от дифракци-

онной решётки на расстоянии 495 мм. Крайние красные лучи видны на рас-

стоянии 19 мм при шкале, отстоящей от решётки на 490мм, при этом a=0,02

Тогда длина волны фиолетовых лучей равна 11 1 = 0,000444 мм = 444 495 50

нм, а длина волны красных 19 1 0,000776мм 776нм. 490 50

Лабораторную работу можно поставить иначе: по заранее известным длинам световых волн определяют постоянную данной дифракционной решёт-

ки.

14

Назначение и устройство спектроскопа двухтрубного

Опыт показывает, что показатель преломления вещества n зависит от длины волны света. Зависимость n=f( ) называется дисперсией света. На рис. 3

приведена примерная кривая дисперсии света для стекла.

Рис. 3. Кривая дисперсии света для стекла Из рисунка видно, что с увеличением длины волны показатель прелом-

ления n уменьшается.

В более широком смысле дисперсией света называют разложение света в спектр, происходящее при его преломлении, интерференции или дифракции.

Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрас-

тает с уменьшением длины световой волны. В противном случае дисперсия назы-

вается аномальной. Бесцветные прозрачные среды (т. е. среды, слабо погло-

щающие свет) обладают нормальной дисперсией; они наиболее сильно прелом-

ляют фиолетовые (коротковолновые) лучи. У окрашенных сред может иметь ме-

сто аномальная дисперсия.

Благодаря дисперсии луч белого света, проходящий через преломляю-

щую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи.

Попадая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр — совокупность разноцветных полос. Наиболее отчетливо дисперсионный спектр обнаружива-

ется при преломлении света в веществе, имеющем клинообразную форму, на-

пример в призме. На рис. 4 показан случай дисперсии света в стеклянной приз-

ме. Так как стекло обладает нормальной дисперсией, то угол отклонения для фиолетового луча ( ф) больше, чем для красного( к).

15

Рис. 4. Дисперсия света в стеклянной призме

Угол D между лучами, соответствующими крайним цветам дисперсионного спектра, называется углом дисперсии; от него зависит ширина спектра. Из фор-

мулы (7) и рис. 4 следует, что

D ф к (nф nк ) ,

где nф и nк — показатели преломления призмы для фиолетового и крас-

ного цвета. Разность nф - nк обычно служит количественной характеристикой дисперсии вещества. Вообще же мерой дисперсии является отношение измене-

ния показателя преломления n к соответствующему изменению длины световой волны , т. е. величина n/ .

На явлении дисперсии света основано действие трехгранной призмы, яв-

ляющейся основной деталью спектрографов, спектрометров и спектроскопов.

Спектроскоп - прибор для разложения сложного света в спектр и наблю-

дения спектров.

Двухтрубный спектроскоп предназначен для исследования спектра, опре-

деления длин световых волн, спектральных линий паров металлов и газов, а

также для наблюдении я сплошного спектра при изменении температуры нака-

ла светящихся тел.

Учебный двухтрубный спектроскоп призматического типа состоит из трёх основных узлов: коллиматора А со щелевым устройством, призмы Р и зри-

тельной трубки (рис. 5). В фокальной плоскости объектива Л1 находится узкая

16

щель, которая перпендикулярна плоскости рисунка. Щель освещается иссле-

дуемыми лучами.

Выходящие из объектива параллельные лучи проходят через призму Р. Из призмы лучи различных цветов выходят под различными углами вследствие различия длин волн: красные отклоняются на меньший угол, фиолетовые име-

ют наибольшее отклонение. Все лучи других цветов проходят в промежутке между крайними цветами.

Рис. 5. Принципиальная оптическая схема спектроскопа

Так как все лучи с одинаковыми длинами волн выходят из призмы парал-

лельными между собой, то объектив Л2 собирает их в одну точку фокальной плоскости S . В этой плоскости лучи одного цвета дают изображение узкой ще-

ли S: геометрическое место всех изображений даваемых различными лучами,

входящими в состав исследуемого пучка, называется призматическим спектром данного излучения.

Учебный двухтрубный спектроскоп состоит из следующих основных частей (рис. 6): стойки, столика, неподвижного кронштейна, подвижного крон-

штейна, коллиматорной трубки, призмы, зрительной трубки, винтового микро-

метра и колпачка.

17

Стойка 1 служит для установки спектроскопа на подставке. Столик 2 со-

единяется со стойкой при помощи резьбы. На столике укреплены: коллиматор-

ная трубка 3, подвижный кронштейн 4, призма с оправой 5 и винтовой микро-

метр 6.

Подвижный кронштейн служит для крепления на нем зрительной труб-ки

7. Кронштейн находится под действием винтового микрометра, с одной сторо-

ны, и пружины - с другой.

Рис. 6. Двухтрубный спектроскоп

Коллиматорная трубка 3 предназначена для направления на призму па-

раллельного пучка лучей от узкой щели. Щель установлена в фокальной плос-

кости дополнительного объектива параллельно преломляющему ребру призмы.

Призма 5 служит для разложения света. Лучи света из коллиматора падают на переднюю грань призмы, в которой разлагаются и выходят параллельными пучками разных цветов и направлений в зависимости от длины волны.

Призма вклеивается в оправу, которая, в свою очередь, подвижно соеди-

няется со столиком и стопорится двумя винтами. Зрительная трубка 7 служит для подвижного однолинзового окуляра. В фокальной плоскости окуляра име-

ется металлическая нить, расположенная вертикально. Металлическая нить

18

предназначена для фиксации спектральных линий. Для фиксации положения нити, следовательно, спектральной линии, служит шкала микровинта (рис. 7).

При изображенном на рисунке 7 положении барабанчика отсчет следует производить так: 2+ 0,5+13 0,01=2,63

Рис. 7

Колпачок (на рис. 6 не показан) надевается на призму и объективные концы коллиматорной и зрительной трубок и необходим для предохранения спектроскопа от посторонних, так называемых паразитных лучей.

Порядок работы

Изучение спектров излучения паров и газов

Для опыта необходимы: спектроскоп (рис. 8), линза с держателем для проецирования пламени на щель, растворы солей натрия, калия, бария, лития и др., растворы солей для анализа, асбестовые фитили на железной проволоке,

штатив для закрепления фитилей.

Установив спектроскоп, как было описано выше, вносят в пламя горелки поочерёдно фитили, пропитанные растворами известных солей, и отмечают по-

ложение линий спектра для каждой соли.

Нанеся на миллиметровую бумагу деления, соответствующие делениям барабанчика микрометра, зарисовывают на ней положение линий; такое по-

строение делается для спектра каждой соли в отдельности.

При работе необходимо иметь в виду два обстоятельства:

- для каждой новой соли, безусловно, необходимо брать свежий асбесто-

вый фитиль, так как иначе неизбежно произойдёт загрязнение нового раствора прежней соли;

19

- желтая линия натрия обычно наблюдается во всех спектрах, так как присутствие в воздухе даже ничтожных количеств натрия достаточно для появ-

ления в спектре его жёлтой линии (длина волны в пределах 589÷589,6 нм).

Положение этой линии на барабанчике микрометра следует определять возможно точнее и при всех измерениях желательно проверять её положение.

Затем, пользуясь градуировочным графиком микрометра, определяют длины волн интересующих линий. Для определения составных частей неиз-

вестных растворов достаточно линии в спектре данного раствора сопоставить с линиями в спектрах известных растворов.

Рис. 8. Внешний вид двухтрубнного спектроскопа

Изучение спектров поглощения

Для опыта необходимы: спектроскоп, электрическая лампа для получения сплошного спектра, растворы красящих веществ (медного купороса, двухромо-

вокислого калия, марганцовокислого калия, фуксина, хлорофилла), цветные стекла.

Рис. 9. Спектр поглощения Основной задачей в данном упражнении является общее изучение спек-

тров поглощения, и все исследования имеют качественный характер.

20

Помещая между лампой и щелью прибора последовательно различные вещества (растворы или цветные стёкла), рассматривают их спектры и опреде-

ляют по барабанчику микрометра положение полос поглощения, их ширину, а

также (приблизительно на глаз) степень поглощения.

Результаты исследования спектров изображают графически, откладывая по оси абсцисс длины волн, а по оси ординат - степень поглощения. Спектр по-

глощения изображается кривой (см. рис. 9), наибольшая ордината которой со-

ответствует самому тёмному месту области поглощения. Длина ординаты, со-

ответствующая полному затемнению, выбирается произвольно; неполное за-

темнение выражается более низкой кривой, т.е. меньшими ординатами, причём длина их определяется на глаз, в зависимости от степени затемнения.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ И ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Познакомиться с принципом работы прибора для определения длины све-

товой волны, рассчитать длины волн видимого участка спектра первого и вто-

рого порядков, а также исследовать спектры с помощью спектроскопа.

Приборы и принадлежности: прибор для определения длины световой волны, спектроскоп, источники видимого света,

ЦЕЛЕВЫЕ ЗАДАЧИ:

Знать: виды спектров, способы получения спектров, устройство спектро-

скопа, правила пользования дифракционной решеткой, формулу для расчета длины волны, вытекающую из основного соотношения для дифракционной ре-

шетки.

Уметь: получать спектры с помощью спектроскопа, пользуясь микровин-

том, определять ширину линий спектра, получать и наблюдать спектры первого