Изучение спектрального прибора УМ-2 и определение его основных характеристик

Дисперсия света

 

Как известно, фазовая скорость электромагнитной волны в веществе зависит от ее частоты, следовательно, и показатель преломления среды является функцией частоты

n = f(w). (4.1)

Зависимость показателя преломления среды от частоты n = f(w) или от длины волны n = f(l) называется дисперсией. Количественной мерой дисперсии является величина dn / dl, которая определяет скорость изменения показателя преломления вещества с изменением длины волны излучения.

Опыт показывает, что в тех областях частот, для которых среда прозрачна, показатель преломления увеличивается с частотой ((dn / dw)>0); такой вид зависимости n от w. называется нормальной дисперсией. В областях частот, соответствующих сильному поглощению света, имеет место аномальная дисперсия ((dn/dw) < 0).

Основные закономерности явления дисперсии объясняются классической электронной теорией вещества, согласно которой дисперсия возникает в результате взаимодействия электрического поля световой волны с заряженными частицами, из которых состоят атомы и молекулы вещества.

График зависимости n от w приведен на рис. 4.1.

Явление дисперсии широко используется в спектральных приборах.

Основными характеристиками спектральных приборов являются угловая, линейная дисперсии и разрешающая сила.

Угловой дисперсией является величина, определяемая по формуле

, (4.2)

где dj - угловое расстояние между спектральными линиями, различающимися по длине волны на dl.

Линейная дисперсия определяется соотношением , где dl - линейное расстояние между двумя близкими линиями l и l+dl спектра. Линейная дисперсия связана с угловой дисперсией фокусным расстоянием F объектива зрительной трубы соотношением

 

. (4.3)

Разрешающей силой прибора является величина, определяемая по формуле

, (4.4)

где - минимальная разность длин волн, раздельно регистрируемых спектральным прибором.

 

Лабораторная работа № 3-10

Изучение спектрального прибора УМ-2 и определение его основных характеристик

 

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2; источники света (ртутная и неоновая лампы); конденсор.

Цель работы: ознакомиться с устройством монохроматора УМ-2, научиться пользоваться им и определить основные его характеристики.

Назначение и устройство спектрального прибора УМ-2

Явление дисперсии ответственно за разложение белого света в спектр при прохождении его через стеклянную призму. Именно это используется в монохроматоре.

Монохроматор УМ-2 выделяет монохроматические участки спектра в видимой и ближней инфракрасной областях в интервале 3800…100000 Å и поэтому его используют для различных спектральных исследований.

Оптическая схема монохроматора изображена на рис. 4.2.

Свет от источника 1 через конденсоры 2 и 3 и входную щель монохроматора 4 падает на объектив коллиматора 5, а потом параллельным пучком – на диспергирующую призму 6. Под углом 90⁰ к падающему пучку света размещают выходную трубу монохроматора. Световые лучи, прошедшие через диспергирующую призму, попадают в объектив 7, который собирает их в плоскости выходной щели 8. Поворачивая призму, установленную на столике, на разные углы относительно падающего света, получают в выходной щели свет разных длин волн.

Таким образом, монохроматор состоит из коллиматора 11 (рис. 4.3), диспергирующей призмы на столике с поворотным механизмом 12 (закрыто кожухом) и выходной трубы 13.

Коллиматор состоит из щели и объектива. Ширина раскрытия щели – от 0 до 4 мм и может регулироваться винтом, цена деления на барабане 14 равняется 0,01 мм. Высота щели – 15 мм, она может регулироваться с помощью фигурной диафрагмы.

Ножи входной щели установлены в фокальной плоскости объектива коллиматора. Фокусное расстояние объектива изменяется в зависимости от длины волны, поэтому предусмотрена возможность фокусировки с помощью маховика 15. Для контроля положения объектива есть окно 16 с миллиметровой шкалой и нониусом, который освещается лампочкой (выключатель 17).

Данные фокусировки коллиматора для некоторых длин волн приведены на установке.

В трубе коллиматора между щелью и объективом расположен затвор, с помощью которого можно ограничить поступление света в прибор (рукоятка 18).

На барабане длин волн 19 поворотного механизма диспергирующей призмы нанесены относительные деления.

Патрубок со щелью выходной трубы (а) можно заменить патрубком смотровой трубы (б), которая имеет сменные окуляры 10 (см. рис. 4.2) с увеличением пятикратным и десятикратным. В этом случае монохроматор превращается в спектроскоп постоянного отклонения. В фокальной плоскости окуляра смотровой трубы есть указатель 9, который освещается лампочкой через сменные светофильтры в револьверной оправе. Таким образом, во время работы на любом участке спектра указатель может быть освещен светом той же длины волны. Для регулировки освещения указателя на приборе установлен реостат 20 с выключателем 21. Спектральная линия, подведенная к указателю, должна попадать в выходную щель коллиматора, установленного вместо смотровой трубы.

В монохроматоре УМ-2 в качестве диспергирующей используют призму постоянного отклонения. Эта призма склеена из трех прямоугольных

призм (рис. 4.4): одной равнобедренной с углами 45⁰ и двух с острыми углами 30⁰ и 60⁰. Крайние призмы изготовлены из стекла с большой дисперсией и большим показателем преломления (тяжелый флинт – ГТЗ),
средняя призма – из крона. Луч S после преломления в точке M в 30⁰-й призме под минимальным углом отклонения падает на катет AB средней 45⁰-й призмы (не преломляясь), отражается от ее гипотенузы AC под прямым углом на грань BC другой 30⁰-й призмы и выходит из нее, преломляясь на другой грани в точке N. Поэтому лучи S и S’ перпендикулярны друг другу. Средняя 45⁰-я призма играет роль зеркала и никакого значения для дисперсии светового луча не имеет. Такая призма эквивалентна симметричной трехгранной призме с преломляющим углом 60⁰.

При вращении призмы вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, в направлении NS будут выходить лучи разных длин волн. Направление выходящих лучей всегда перпендикулярно направлению входящих. Таким образом, коллиматор и смотровая труба остаются неподвижными, а спектральные линии перемещаются в поле зрения окуляра. Положение спектральной линии относительно указателя в окуляре определяют по углу поворота призмы. Угол поворота призмы фиксируется на барабане длин волн 19 (см. рис. 4.3) в делениях.

В качестве источников света в работе используют ртутную лампу ДРШ или СВДШ и неоновую лампу МН-5, которые подключаются к источнику питания.

Передняя и боковая стенки пульта показаны на рис. 4.5, а, б.

На передней стенке есть выключатель сети (220 В) ртутной лампы ДРШ и пусковая кнопка ртутной лампы. Неоновая лампа может включаться в соответствующее гнездо на пульте. От этого пульта подается питание 3,5 В на лампочки освещения шкал прибора.

Ртутная и неоновая лампы смонтированы на рейках в металлических кожухах. Следует иметь в виду, что ртутная лампа излучает мощный поток ультрафиолетовых лучей, вредных для глаз. Наблюдать свечение лампы без защитных очков или стеклянных фильтров нельзя.

Во время работы в лампе возникает давление до 30 атм, поэтому обращаться с ней надо осторожно.

Источник света проектируется на щель монохроматора с помощью конденсора 2 (см. рис. 4.2).

Задание 1. Провести градуировку монохрометра УМ-2. Градуировка монохро­матора, как правило, проводится по нескольким линиям ртути и неона. Начи­нать градуировку лучше со спектра ртути, так как линий в нем мало и они рав­номерно распределены по всему спектру. Значения длин волн спектра ртути и неона в видимой области приведены в табл. 4.1, а спектры показаны на рис. 4.6.

 

Таблица 4.1

Номер линии	Длина волны ртути, Å	Интен-сив-ность	Номер линии	Длина волны неона, Å	Интен-сив-ность
	6907,0 красная 6234,3 оранжевая 6121,5 оранжевая 6072,6 оранжевая 5790,7 желтая 5769,6 желтая   5460,7 зеленая   4916,0 сине-зеленая 4358,3 синяя   4347,5 синяя 4339,2 синяя 4077,8 фиолетовая 4046,8 фиолетовая			6717,04 красная 6678,02 красная 6598,95 красная 6532,88 красная 6506,53 красная 6402,25 ярко-красная 6382,99 ярко-красная 6334,43 ярко-красная 6304,79 ярко-красная 6266,50 красная 5217,28 красная 6163,59 красно-оранжевая 6143,06 оранжевая 6069,10 оранжевая 6074,34 оранжевая 6030,00 оранжевая 5975,53 оранжевая 5944,83 желто- оранжевая 5881,90 желто- оранжевая 5852,49 желтая

Ртуть Неон

6907,0 6717,04

 

 

5460,7 6382,99

 

4918,0 6266,50

4358,3 6163,59

 

4339,2 6030,00

4046,8 5852,49

Ртуть Неон

 

Рис. 4.6

Порядок выполнения градуировки

1. Поставить ртутную лампу на оптическую скамью и закрепить ее на расстоянии ~ 450 мм от плоскости входной щели.

2. Поставить конденсор на оптической скамье так, чтобы расстояние от его передней плоскости до лампы равнялось ~130 мм.

3. Подключить шнур лампочки к соответствующему гнезду пульта, включить тумблеры «Сеть», «Лампа ДРШ» и несколько раз нажать кнопку «Пуск», пока лампа не загорится.

4. Отцентрировать источник света и конденсор так, чтобы входная щель была равномерно освещена. Ширина щели должна быть 0,01…0,02 мм. Проверить видимость спектра.

5. Установить с помощью маховика 15 нужное положение объектива коллиматора и изменять его в зависимости от длины волны. Данные для установки объектива коллиматора взять из таблицы на установке. При правильной установке объектива коллиматора и указателя спектральные линии, т.е. изображения входной щели прибора, лежат в одной плоскости с указателем и видны одинаково четко.

6. Поворачивая барабан длин волн 19, просмотреть все линии спектра, убедиться в том, что все линии видны четко и они не очень широкие, а после этого приступить к градуировке.

7. Указатель смотровой трубы совмещать последовательно со всеми видимыми спектральными линиями ртути, сделать отсчеты по барабану монохроматора и занести их в таблицу.

8. Построить график l = f (z), где z – деления барабана. Соответствующие им значения длин волн l взять из таб. 4.1.

9. Аналогично сделать измерения спектральных линий неона, поставив на оптическую скамью лампу МН-5 и подключив ее к пульту питания. Поскольку спектр неона богат на линии в красном участке спектра, то данные о спектре неона служат для уточнения градуировки графика.

Критерием правильности градуировки кривой есть отсутствие изломов и перегибов.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: