1. Лансберг г.С. “Оптика ”. М.; Наука 1976.

2. Яворский б.М., Детлаф а.А., “Курс физики” т.3 1973. Лабораторная работа № 406. Изучение спектра излучения газов.

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: монохроматор, ртутная лампа, светофильтры, осветитель, водородная трубка.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, каждой длине волны светового излучения соответствует определенный цвет лучей. Оказывается, что скорость распространения этих лучей в веществе зависит от частоты колебаний, а значит от длины волны λ. Зависимость скорости υ распространения волн в веществе от длины волны называется дисперсией.

Если скорость монохроматических лучей зависит от длины, то, поскольку, п=с/υ такие лучи должны по разному преломятся при переходе из воздуха в вещество, т. к. скорости всех световых лучей в воздухе практически одинаковы и равны с. Следовательно, чем меньше скорость распространения светового луча в каком–либо веществе, тем больше он преломится при переходе из воздуха в вещество. Скорость распространения световых лучей в стекле тем меньше, а показатель преломления для них тем больше, чем больше частота колебаний в них, т. е. чем короче их длина волны.

Распределение, какого–либо излучения по длинам волн (частотам колебаний) называется спектром этого излучения. Спектры, получаемые от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Непосредственные наблюдения и фотографии показывают, что вызывают спектры испускания трех типов: сплошные, линейчатые, полосатые.

Спектр, в котором монохроматические лучи непрерывно следуют друг за другом, называются сплошным. Примером сплошного спектра является спектр белого света. Они получаются от всех светящихся твердых и жидких тел в результате их нагревания.

Линейчатые спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, разделенных темными промежутками. Такие спектры часто получаются от светящихся газов или паров. Изучение линейчатых спектров показывает, что каждый химический элемент дает свой линейчатый спектр, не совпадающий со спектрами других элементов. Линейчатые спектры химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельных светящихся линий. Впервые исследование линейчатых спектров было выполнено в 1854-1859 г.г. немецкими учеными Г. Кирхгофом и Р. Вунзеном. Изучение линейчатых спектров показало, что они создаются излучением отдельных атомов химических элементов, находящихся в свободном состоянии. Исследование линейчатых спектров атомов позволили установить строение электронных оболочек атомов различных химических элементов.

Полосатыми называются спектры, состоящие из ряда светлых полос разделенных темными промежутками. Но многие из полос, находящихся в спектре, при рассмотрении в спектроскоп с большой разрешающей силой распадаются на ряд отдельных линий. Полосатые спектры создаются излучением молекул и позволяют судить об их строении.

Вы знаете, что прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, вследствие чего в спектре, получаемом после прохождения белого света через такие вещества, часть цветов исчезают, т.е. появляются темные линии или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.

Большой интерес представляет излучение спектров поглощения газов, т.к. их собственные спектры часто являются линейчатыми и типичными для каждого вида атомов. Опыты с поглощением света атомами других химических элементов подтверждают, что линии поглощения, всегда точно соответствуют линиям испускания в спектре газа или пара, поглощающего свет. Эта зависимость выражается ЗАКОНОМ КИРХГОФА: всякое вещество в основном поглощает те лучи, которое само может испускать.

Исследования Кирхгоффа позволили объяснить возникновение темных линий, наблюдаемых в спектре солнечного излучения, они всегда занимают одно и то же положение и в основном представляют собой линии поглощения паров и газов, окружающих солнце, температура которых значительно ниже, чем на поверхности солнца. Т.о., спектр солнечного излучения является типичным спектром поглощения.

Поскольку спектр излучения атомов каждого химического элемента содержит только линии, характерных именно для этих атомов, то по линейчатому спектру паров какого-либо вещества можно установить, какие химические элементы входят в его состав. Такой метод определения химического состава вещества называется качественным спектральным анализом.

Спектральным анализом широко пользуются в науке и технике, т.к., во-первых, он позволяет обнаружить присутствие очень малых количеств химических элементов, во-вторых, может быть проведен с минимальными затратами времени, материала, средств, в- третьих, позволяет определить состав паров и газов, находящихся на произвольно большом расстоянии от прибора, лишь бы лучи от них попадали в прибор. Для проведения спектрального анализа, необходимо заранее знать точное расположение линий в спектре излучения каждого химического элемента или же соответствующие им длины волн. Они приводятся в специальных таблицах спектральных линий. В некоторых случаях спектральный анализ проводится путем сравнения спектров испытуемого материала и эталонного спектра образца с известным содержанием химических элементов. Спектральный анализ газов можно производить по спектрам поглощения.

В настоящее время разработаны методы количественного спектрального анализа, позволяющие по интенсивности свечения линий химического элемента определить его процентное содержание в образце. Это чрезвычайно важно, например, для определения пригодности сплавов для тех или иных целей в технике. Простота и быстрота проведения такого анализа делают его весьма удобным для промышленности. В астрономии помощью спектрального анализа изучают химический состав и физические условия звезд галактики и туманностей, и т. д.

Вернемся к поглощению света в веществе, оно связано с преобразованием энергии электромагнитного поля волны в другие виды энергии (чаще всего в энергию хаотического теплового движения частиц в веществе, нагревающихся в результате поглощения света). Еще в 17 веке П. Бугер и И. Ламберт установили, что интенсивность 1 плоской монохроматической волны после прохождения сквозь слой поглощающего вещества толщиной х связана с интенсивностью этой волны на входе в слой следующим соотношением:

I=I₀exp(-αx)

Гдеα коэффициент поглощения, зависящий только от длины волны света, химической природы и состояния вещества. Коэффициент поглощения не зависит от интенсивности.

Его физический смысл легко установить, преобразовав уравнение (1) к следующему виду:

Если при толщине слоя, x=dI₀/I то α=1/d т.о. коэффициент поглощения численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, по прохождении которого интенсивность света уменьшается в е=2,72 раз.

Существуют среды, пропускающие излучение определенного участка спектра электромагнитных колебаний и не пропускающие излучения других спектральных областей. Такие среды называются светофильтрами. В прямом смысле слова светофильтрами называются плоскопараллельные пластинки, позволяющие выделять в комбинации с данным светоприемником лишь узкий спектральный участок излучения. Например, фотографическая пластинка к излучению с длиной волны λ, меньшей 600 мм.

Если через t_(1),λ обозначить прозрачность светофильтра при той толщине его, которая равна принятой единице длины, то прозрачность светофильтра при толщине l будет: t= t_(1),λ re³ , t_(1),λ - коэффициент пропускания светофильтра при длине волны.

Множитель r<1 введен для учета потерь, происходящих при отражении света от передней и задней поверхностей светофильтра.

Светофильтры бывают:

- абсорбционные,

- интерференционные,

- интерфереционно-поляризованные.

Действие абсорбционных светофильтров основано на явлении поглощения света средой. Если на границу раздела вакуума и среды попадает свет интенсивностью 1, то по прохождении слоя толщиной интенсивность уменьшается до значения 1.

Кратностью фильтра называется отношение , ее обозначают, например, 2 или 4 .

Пропусканием называют обратную величину (выражается в процентах), T=I/I_0, a

oптической плотностью величину Д=lg(I/I₀)

Абсорбционные светофильтры бывают твердые и жидкие. Веществом для светофильтра служит чаще всего цветное стекло. Отличительной особенностей особенностью их является широкая полоса пропускания по длинам волн. Желтые и красные светофильтры отличаются тем, что они имеют резкую коротковолновую границу пропускания, а в сторону длинных волн их пропускание идет далеко в инфракрасную область спектра. Несколько большее разнообразии могут дать светофильтры, изготовленные путем полива на пластинку желатины, окрашенные органическим красителем. Хорошие светофильтры получается при купании в растворе красителя фотографической пластинки, отфиксированной без проявления. Т. к. желатиновый слой легко подвергается царапинам и боится влаги, обращения с таким светофильтром должно быть очень осторожным, или же желатиновый слой должен быть покрыт защитным стеклом, что делает его толщину больше. Такой светофильтр далек от плоскопараллельности и может употребляться только вблизи фокуса.

Хорошим фильтрующим действием обладают некоторые растворы, например, раствор хлористой меди, хорошо задерживает излучение с длиной волны λ>750m^-9. Раствор медного купороса хорошо поглощает свет от оранжевого до инфракрасного участка спектра. Окрашенные растворы заключаются в сосуд с плоскопараллельными стенками. Недостатком многих фильтров с органическими красителями, а также некоторых сортов цветного стекла является их нестойкость. С течением времени их пропускание меняется и следовательно, должно подвергаться время от времени проверке. Особенностью описанных светофильтров является то, что с ними нельзя выделять узкие участки спектра. Комбинацией нескольких фильтров, трех и больше, можно выделить узкую область спектра, однако ценой больших потерь, т к. в итоге сложения фильтров, пропускания в расчетной длине волны оказывается порядка 20-30% , не больше.

Интерференционные фильтры являются ничем иным как интерферометром Фабри-Перо с интерференцией низкого порядка (1-го, 2-го, 3-го).

В интерферометре Фабри-Перо (см. Г.С. Ландсберг, Оптика, 1976г. 30 стр. 137-141) интерференция происходит в слое воздуха между двумя плоскими и параллельными друг другу поверхностями, покрытыми тонким полупрозрачным слоем серебра. Высокое отражение от серебра позволяет падающему свету отразится обратно за исключением света тех длин волн, которые удовлетворяют условию: x/2=αcos(φ/k)

• α-расстояние между посеребренными плоскостями

• φ-угол падения света

• k-целое число

При нормальном падении φ =0, и, следовательно, пройдут без отражения длины волны, λ=2h, λ=2/3h и т.д. Уже эти три длины волны далеко отстоят друг от друга в спектре и поэтому каждые две из них можно задержать, например, с помощью обычных светофильтров. Практически интерференционный фильтр делают так: на поверхность стекла наносят тонкий слой серебра, затем слой диэлектрика с оптической толщиной или, затем еще слой серебра, который прикрывают защитной стеклянной пластинкой. Полоса пропускания светофильтра будет тем уже, чем полнее происходит отражение от серебра. Благодаря непрозрачности серебра даже в тонком слое, такой фильтр в максимуме пропускания мало прозрачен. Фильтр можно значительно улучшить, если максимально поднять его коэффициент отражения и вместе с тем снизить непрозрачность для избранной длины волны. Этого достигают с помощью одних диэлектрических покрытий.

Наилучшие образцы интерференционных фильтров обладают полушириной пропускания всего лишь 1А при пропускании свыше 50%. Для этого один из диэлектрических слоев осуществляет с помощью тончайшей пленки слюды. С помощью такого фильтра, например, можно выделить одну из двух линий натриевого дублета 5890-5895А. Длина волны максимума пропускания интерференционного фильтра зависит от угла падения проходящего светового пучка.

УСТРОЙСТВО СПЕКТРОСКОПА.

Для измерения длин волн спектральных линий в работе используется призменный спектроскоп-монохроматор. В состав прибора входят следующие основные части:

1. Входная щель1, снабженная микрометрическим винтом В, который позволяет открывать щель на нужную ширину.

2. Коллиматорный объектив 2.

3. Сложная спектральная призма3, установленная на поворотном столике 6 .

4. Поворотный столик 6 вращается вокруг вертикальной оси при помощи микроскопического винта с отсчетным барабаном 7. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота барабана, призма поворачивается, и в центре поля зрения появляются различные участки спектра.

5. Зрительная труба, состоящая из объектива 4 и окуляра 5. Объектив 4 дает изображение входной щели 1 в своей фронтальной плоскости. В этой плоскости расположен указатель 9. Изображение рассматривается через окуляр 5.

6. Массивный корпус 10 , предохраняющий прибор от повреждений и загрязнений.

7. Оптическая скамья, по которой могут перемещаться рейтеры с источником света.

8. Пульт управления, служащий для питания источников света и осветительной системы спектрометра. На пульте имеются гнезда для включения осветителей (3,5), ртутной лампы и лампы накаливания (см. рис 1).

Для определения длин волн спектральных линий с помощью монохроматора нужно сначала проградуировать в длинах волн его шкалу, а затем применить его для определения длин волн неизвестных спектров.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.

ЗАДАНИЕ 1: градуировка монохроматора.

Для градуировки монохроматора используется источник света в спектре, которого длины волн всех спектральных линий хорошо известны. В качестве такого источника очень удобна ртутная лампа, т.к. спектр ртути содержит ряд линий в различных областях от фиолетовой части спектра до красной. При проведении градуировки нужно, прежде всего, навести монохроматор на источник света (ртутную лампу). Затем, передвигая окуляр зрительной трубы, получить резкое изображение линий спектра в поле зрения. Затем специальным винтом отрегулировать ширину щели так, чтобы линии спектра были как можно более узкими, но в то же время достаточно яркими. Устанавливают отсчетный барабан в крайнее положение. Затем, медленно вращая его, следят за перемещением в поле зрения спектра и, когда первая красная линия подойдет к указателю (в виде клина) записывают отсчет по шкале барабана поворотного механизма. Отсчет читается против линии ползунка, скользящего по спиральной канавке. Вам нужно просмотреть весь спектр от красного до фиолетового конца, отмечая цвет спектральных линий и соответствующий каждой линии отсчет по шкале барабана.

Пользуясь таблицей длин волн линий спектра ртути, разобраться в наблюдаемом спектре и установить, какую длину волны имеет каждая из наблюдаемых линий. Полученные результаты занести в таблицу 1.

Выбрав удобный масштаб, построить на миллиметровой бумаге или при помощи компьютера график градуировки монохроматора, откладывая по горизонтальной оси деления шкалы барабана, а по вертикальной-соответствующие длины волн спектральных линий. Этот график используется в последующих упражнениях для определения длин волн, излучаемых различными элементами.

ТАБЛИЦА 1. ЗАПИСЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ГРАДУИРОВКИ МОНОХРОМАТОРА.

Цвет	Яркость	Длина волны (ммк)	Отсчет по шкале
Темно- красный Темно-красный Красный Красный Красно-оранжевый Желтый Желтый Зеленый Голубовато-зеленый Синий Синий Синий Фиолетовый фиолетовый	Средняя Слабая Средняя Средняя Слабая Яркая Слабая Очень яркая Средняя Очень яркая Средняя Средняя Слабая слабая	690, 7 671,6 633.4 612,2 607,3 579,1 577,0 546,1 491,6 435,8 434,7 433,2 407,8 404,7

ЗАДАНИЕ 2: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ПРОПУСКАНИЯ СВЕТОФИЛЬТРА.

Для определения ширины пропускания светофильтра необходимы набор светофильтров и осветитель.

Около объектива поставить светофильтр и, наблюдая за спектром через окуляр монохроматора, определить ширину спектра по шкале барабана. Затем по градуировочной кривой определить границы спектра в единицах длины волны.

ЗАДАНИЕ 3: ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА ВОДОРОДА.

Выше было уже сказано, что изолированные атомы в виде разряженного газа или паров металла испускают линейчатый спектр. Изучение атомных спектральных полос послужило ключом к познанию строения атома. Прежде всего, было замечено, что линии в спектрах атома распределены не беспорядочно, а объединяются в группы или, как называют, спектральные линии. Отчетливее всего это обнаруживается в спектре простейшего атома- атома водорода. Швейцарский физик Бальмер еще в 1885 году опираясь на свои экспериментальные исследования, установил, что распределение спектральных линий в спектре водорода подчинено некоторой закономерности, а именно, отношение длин волн водородных линий соответствует некоторой закономерности.

Формула правильно описывает экспериментальные значения длин волн спектральных линий водорода при равном 109677,6 см. Поиски физического смысла этой формулы (Н.Бор, 1913г) привели к созданию квантовой теории атома, Квантовая механика позволяет вычислить величину постоянной Ридберга:

Где е - заряд электрона, m – его масса, с - скорость света.

На рисунке (2) изображены уровни энергии атома водорода, а стрелками обозначены переходы между уровнями, соответствующие спектральным линиям. Из рисунка видно, что линии в спектре водорода можно расположить по сериям; для всех линий серии значение n остается постоянным, а м может принимать любые значения от m=n+1 до бесконечности .

ХВ настоящей работе изучается серия Бальмера, линии которой лежат в видимой области. Для серии Бальмера n=2 величина м для первых четырех линий этой серии принимают значения 3,4,5,6. Эти линии обозначаются символами:

ВАМ НЕОБХОДИМО ПРОДЕЛАТЬ:

1. Измерьте длины волн водородных линий

2. Убедитесь в том, что отношение длин волн водородных линий соответствует формуле Бальмера.

3. Для каждой из наблюдаемых линий водорода вычислите значение постоянной Ридберга, определите ее среднее значение по всем измерениям. Сравните результаты опыта с табличным значением.

Следует отметить, что в спектре водорода трубки наряду с линиями атомного спектра наблюдается спектр молекулярного водорода (т.к. для увеличения яркости интересующих нас линий атомного водорода при изготовлении трубки в состав газа иногда добавляют пары воды. Молекулы воды в электрическом разряде разлагаются, образуя атомный водород). Поэтому начинать поиск нужных линий нужно с наиболее интенсивной красной линии. Вторая линия - зелено-голубая.

В промежутке между и располагаются несколько красно-желтых и зеленых слабых молекулярных полос. Третья линия – фиолетово-синяя. Перед

Этой линией располагаются молекулярные полосы синего цвета. Четвертая линия фиолетовая, Ее удается найти в излучении лишь некоторых экземпляров водородных трубок.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Дисперсия света.

2. Устройство спектроскопа и монохроматора.

3. Получение спектров излучения и поглощения.

4. Спектры излучения и спектры поглощения. Виды спектров излучения.

5. Качественный и количественный спектральный анализ.

6. Механизм поглощения света в веществе.

7. Закон Бугера-Ламберта.

8. Виды светофильтров.

9. Характеристики светофильтров.

10. Применение светофильтров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика. Атомная и ядерная физика. М. Просвещение 1974, Гл. 5.

2. Савельев И.В. Курс общей физики Т.3. М. Наука 1973.