Квантова оптика

Мудрість – дочка досліду.

Дослід ніколи не помиляється,

а помиляються лише судження ваші, які чекають від нього речей,

що не підвладні йому.

Леонардо да Вінчі

Лабораторна робота № 76 Градуювання монохроматора та якісний аналіз газів

Мета: ознайомитися з лінійчатими спектрами випромінювання газів. Вивчити будову монохроматора . Зробити якісний аналіз невідомого газу за допомогою монохроматора .

Прилади: монохроматора , неонова лампа , генератор електричного розряду, ртутна лампа, лампа з невідомим газом, атласи спектральних ліній газів.

Теоретичні відомості

Систематичне вивчення спектрів випромінювання ряду елементів дає змогу встановити зв’язок між спектром випромінювання і хімічною індивідуальністю відповідних атомів. Такий зв’язок відкриває шлях до обґрунтування можливості спектрального хімічного аналізу, тобто можливості судити про хімічний склад випромінюючої речовини за її спектром.

Рисунок 1 – Суцільний спектр видимого випромінювання.

Спектри випромінювання ізольованих атомів складаються з ряду дискретних спектральних ліній різної інтенсивності, які відповідають різним довжинам хвиль (рис. 2).

Рисунок 2 – Лінійчатий спектр видимого випромінювання атома водню.

При дослідженні газів, які складаються з багатоатомних молекул, спектр виходить складнішим. Тобто, поряд з окремими досить віддаленими одна від одної лініями спостерігається велике число тісно розміщених ліній, це так званий багато лінійчатий або смугастий спектр (рис. 3).

Рисунок 3 – Смугастий спектр видимого випромінювання азоту.

Уважне вивчення лінійчатих спектрів дає змогу встановити певні закономірності у їх розміщенні. Лінійчатий спектр газів можна збудити різними способами. Він виникає при різних видах електричного розряду, через газ, при бомбардуванні атомів газу електронами, що випускаються розжареним катодом, при нагріванні пари і газів (наприклад, у полум’ї пальника), при освітленні пари світлом відповідної довжини хвилі. В усіх цих випадках утворюються спектральні лінії, довжина яких характерна для газу, який вивчають. Однак залежно від умов збудження відносна інтенсивність різних ліній може дуже відрізнятися, так що деяких ліній може і не бути при тих чи інших способах збудження. Отже, зовнішній вигляд спектра може значно залежати від умов збудження, змінюючи які, ми можемо отримати тільки певні для кожної даної речовини лінії, сукупність яких і утворює характерний для неї лінійчатий спектр. Встановлення характерних тільки для даного хімічного елемента спектральних ліній за допомогою визначення довжини хвилі цих ліній дає змогу судити про наявність даного елемента у складній суміші хімічних елементів. На цьому побудований якісний спектральний аналіз.

Опис установки

Якісний спектральний аналіз проводиться за допомогою оптичних приладів, в яких світло з різними довжинами хвиль розкладається у спектр. Конструкція спектрального приладу залежить від методу реєстрації спектра. Для візуального спостереження спектра служать спектроскопи, монохроматори. Монохроматори дозволяють виділяти світло однієї довжини хвилі і аналізувати його візуально, чи за допомогою фотоелемента. У даній роботі використовується монохроматор . Оптична схема його подана на рис. 4.

Світло через вхідну щілину попадає на об’єктив коліматора і паралельним пучком проходить диспергуючу призму . Під кутом до падаючого пучка світла розміщується вихідна труба монохроматора.

Повертаючи столик призми на різні кути за допомогою барабану відносно падаючого пучка світла, отримують у вихідній щілині світло різної довжини хвилі, яке проходить через призму у мінімумі відхилення.

Рисунок 4 – Оптична схема монохроматора: – захисне скло; – вихідна щілина; – об’єктив зорової труби; – призма; 5 – об’єктив коліматора; 6 – вхідна щілина; – призма порівняння; – лінза; – конденсор; – захисне скло; – джерело світла.

Основними частинами монохроматора є коліматор (рис. 5), столик для призми з поворотним механізмом і вихідна труба .

Під зоровою трубою є барабан , при обертанні якого призма обертається і в окулярі можна почергово розглядати кожну лінію у спектрі даного газу. На барабані нанесені цифрові поділки, за допомогою яких фіксується положення певної лінії спектру.

Рисунок 5 – Зовнішній вигляд монохроматора: – зорова труба; – призма з поворотним столиком; – коліматор; – вхідна щілина; – джерело світла; – барабан.

Порядок виконання роботи

1. Включити неонову лампу і від’юстувати установку.

2. Зняти залежність поділок на барабані монохроматора від довжини хвиль спектральних ліній неону, взятих з атласу.

3. Повторити дослід, використовуючи як джерело світла ртутну лампу.

4. Побудувати криву градуювання монохроматора , де – поділки барабана монохроматора.

5. Записати значення поділок барабана для різних спектральних ліній свічення невідомого газу.

6. Користуючись кривою , визначити довжини хвиль спектральних ліній невідомого газу.

7. За допомогою атласу спектральних ліній для різних речовин провести ідентифікацію газу.

Контрольні запитання

1. Що таке спектр випромінювання?

2. Які є типи спектрів?

3. Який спектр називається суцільним?

4. Який спектр називається лінійчатим?

5. Який спектр називається смугастим?

6. Які причини виникнення лінійчатих спектрів?

7. Які причини виникнення смугастих спектрів?

8. Що таке спектральний аналіз?

9. Від чого залежить зовнішній вигляд спектра?

10. Що таке якісний спектральний аналіз?

11. Що таке кількісний спектральний аналіз?

12. Пояснити принцип роботи монохроматора.

Радість бачити й розуміти є найпрекраснішим подарунком природи.

А. Ейнштейн