2. Описание установки

Лабораторная установка (рис.4) состоит из ртутной лампы (1) с блоком питания, собирающей линзы (2) с фокусным расстоянием 13 см, вогнутой дифракционной решётки (3) и экрана (4). Все элементы установлены на оптической скамье.

Рис.4. Схема лабораторной установки

3. Порядок выполнения работы

3.1. Установить на оптическом столе источник излучения (ртутную лампу), линзу, дифракционную решетку, экран.

3.2. Включить блок питания ртутной лампы.

3.3. Получить на экране четкое изображение спектра ртути.

3.4. Измерить расстояние на экране между наиболее яркими спектральными линиями.

3.5. Воспользовавшись атласом спектральных линий ртути, построить кривую дисперсии спектроскопа - график зависимости положения наиболее ярких линий спектра ртути от длины волны.

3.6. Пользуясь кривой дисперсии, определить линейную дисперсию спектроскопа в длинноволновой и коротковолновой областях видимого спектра.

3.7. Экспериментально определить максимальный порядок спектра, который можно разрешить с помощью данной решетки и учитывая, что данная решетка имеет 600 штрихов/мм, найти разрешающую способность R_{решетки} в различных областях спектра.

3.8. Вычислить теоретические значения разрешающей способности и области свободной дисперсии дифракционной решетки в различных порядках спектра.

4. Контрольные вопросы и задания

1. В чем отличие призматического спектра от спектра дифракционной решетки?

2. Каковы преимущества использования вогнутой дифракционной решетки в спектральных приборах?

3. Покажите, что при разрешении двух линий l₁ и l₂ одинаковой интенсивности с помощью дифракционной решетки критерий Рэлея соответствует наличию «провала» в 20% в результирующем контуре распределения интенсивности.

4. Что выше: разрешающая способность спектроскопа или дифракционной решетки, входящей в его состав?

5. Исследуется расщепление линии в эффекте Зеемана (Dl=10^-3А, l » 600 нм). Покажите с какими спектральными приборами можно наблюдать это расщепление. При каких условиях?

6. Каков физический смысл понятия "нормальная ширина щели"? При какой ширине входной щели линии в спектре наиболее узкие?

7. Как следует установить диспергирующий элемент, чтобы аберрации в спектральном приборе были минимальны?

8. Что такое «область свободной дисперсии» прибора и как она зависит от угла падения лучей на решетку?

9. Какими характеристиками должны обладать диспергирующие элементы для работы в а) инфракрасной области спектра и б) в ультрафиолетовой?

Лабораторная работа

Изучение призменного монохроматора

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомление с принципом действия и работой призменного спектрального прибора - монохроматора УМ-2, построение градуировочного графика монохроматора и определение его дисперсионных характеристик.

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: ртутная лампа, конденсор, монохроматор УМ-2, оптическая скамья, линейка.

1. Основные свойства призменных спектральных приборов [9, 11]

Систему призм в общем случае можно представить в виде некоторого пространства, заполненного диэлектриками разных сортов с резкими границами раздела между ними, на которых и происходит преломление лучей. Рассмотрим на простейшем примере характеристики призменных систем.

Угловой размер пучка, проходящего через поверхность раздела двух диэлектриков с показателями преломленияи(см. рис. 5а) изменяется. Меняется и сечение пучка: сечение падающего пучка составляет преломленного -Назовем отношение

(17 )

угловым увеличением поверхности . Продифференцировав правую и левую части закона преломления, и, использовав величины сеченийи, получим для углового увеличения поверхности выражение:

(18)

Рис.5. К нахождению углового увеличения

а) поверхности; б) призмы в воздухе

Угловое увеличение призмы, составленной из двух поверхностей a и , находящихся в воздухе (см. рис.5б) найдём, перемножив увеличение каждой из граней:

, (19)

где и– сечения пучка на входе и на выходе призмы.

Увеличение призм влияет на ширину изображения спектральных линий:

, (20)

где и– фокусные расстояния объективов прибора;– угол между плоскостью спектра и осью камеры (рис.1). Так как увеличение призмы зависит от длины волны вследствие дисперсии показателя преломления материала призмы, то и ширина изображения спектральных линий различна в различных областях спектра. Это особенно заметно в многопризменных приборах.

Угловую дисперсию призмы найдём из соотношения:

, (21)

где a – преломляющий угол призмы, и– углы преломления на её поверхностях.

Разрешающая способность призмы выражается формулой:

. (22)

В случае минимального угла отклонения призмы (это соответствует симметричному ходу лучей через призму) разрешающую способность можно представить в другом виде:

(23)

где b – основание, или база призмы. Последнее выражение удобнее для подсчёта разрешающей способности призмы, так как значение дисперсии оптических материалов можно найти в таблицах, а величина b легко измеряется. Разрешающая способность призм может доходить до 10⁵.

2. Устройство монохроматора [9]

Диспергирующим элементом монохроматора УМ-2 является призма Аббе, составленная из двух 30° призм и одной 45°, служащей для отклонения луча на 90°. Поскольку 30° призмы отклоняют луч в противоположных направлениях, для луча любой длины волны, идущей в минимуме отклонения, общее отклонение луча равно 90°. Согласованным поворотом всех трёх призм можно осуществить сканирование спектра. Оптическая схема монохроматора представлена на рис.6.

Свет от источника (1) проходит через конденсор (2) и освещает щель (3), которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора (4). Из объектива параллельный коллимированный пучок лучей направляется на систему призм (5).

Если источник испускает немонохроматический свет, то вследствие того, что излучение различных длин волн по разному преломляются в призмах из-за дисперсии показателя преломления, произойдет разложение света на монохроматические составляющие, и из системы призм выйдут параллельные пучки лучей, соответствующие волнам определенной длины. Эти параллельные пучки соберутся в фокальной плоскости (7) объектива (6) зрительной трубы в виде спектрального изображения щели (3).

Рис.6. Оптическая схема монохроматора

Если источником света служит лампа низкого давления, содержащая инертный газ в атомарном состоянии, то спектральное изображение щели (3) будет иметь вид цветных полос, соответствующих линейчатому спектру газа лампы. Спектр может наблюдаться глазом через окуляр (8).