Дисперсия. Наблюдение спектров

Лабораторная работа №1 ДИСПЕРСИЯ. НАБЛЮДЕНИЕ СПЕКТРОВ.

 

Цель работы:

Ознакомится с назначением, характеристиками и устройством монохроматора. Произвести его градуировку. Применить градуировку монохроматора для определения длин волн источников света.

1. Теоретическая часть и экспериментальная установка

Основной характеристикой волн является длина волны l, которая связана с частотой волны n и скоростью волны с соотношением: . Длина электромагнитных волн лежит в широких пределах: от значений порядка 1000 м (радиоволны) до 10^-10 см (гамма-излучение). Свет – это электромагнитные волны с длиной волны от »400 нм до »800 нм. Цвет света (субъективное восприятие объективной физической характеристики света – частоты волы) определяется частотой электромагнитной волны. Для красного света l_кр » 800нм, зеленого l_з»550 нм, фиолетового l_ф»400 нм. Световые волны строго определенной длины волны называются монохроматическими (одноцветными). Смешанные в определенной пропорции световые волны различных длин волн дают белый свет (цвет). Ни один из источников света не дает строго монохроматического света, т.е. волну строго одной длины волны.

В вакууме световые волны с различной длиной волны распространяются с одинаковой скоростью с = 300 000 км/с. Но в каком-либо веществе (среде) скорость света меньше, чем в вакууме. В результате этого наблюдается явление преломления света при переходе света из одной среды в другую.

Абсолютный показатель преломления среды n показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше чем в данной среде .

Кроме того, скорость света в среде зависит от его длины волны v = f(l). Это явление называется дисперсией.

 Дисперсия приводит к тому, что показатели преломления для света различных длин волн различны. Например, для воды n_кр (красный свет) = 1,331, n_ф (фиолетовый свет)= 1,344.

Явление дисперсии можно наблюдать с помощью призмы (рис. 1), в которой световые лучи преломляются дважды на передней и задней поверхности призмы. С помощью призмы свет разлагается в спектр.

Вид спектров от различных источников света весьма разнообразен.

Спектры излучения можно разделить на три типа:

·  Непрерывные (или сплошные) спектры дают светящиеся тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. В сплошном спектре нет разрывов, что означает присутствие в излучении света всевозможных длин волн. Сплошные спектры дают, например, лампы накаливания.

·       Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. Такие спектры – это «частокол» цветных линий различной яркости, разделенных темными промежутками. Для наблюдения линейчатых спектров используют свечение газов или паров веществ в пламени или электрической дуге, а так же газовый разряд в трубке, наполненной исследуемым газом или паром при низком давлении.

·       Полосатые спектры состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Полосы образуются путем наложения большого числа близко расположенных линий. Полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, и наблюдаются в твердых и жидких образцах.

Если пропускать белый свет сквозь холодный газ, жидкость, раствор, прозрачное твердое тело, то на фоне непрерывного спектра источника наблюдаются темные линии или полосы. Такие спектры называются спектрами поглощения (абсорбции).

Спектры несут огромную информацию об их источниках. Изучение спектров позволяет определить температуру излучающего тела, его химический состав, характер движения источника, энергетические характеристики атомов и молекул и т. д.

Монохроматор – это один из видов спектральных приборов, предназначенный для разложения излучения в спектр с целью последующего определения физической природы источника этого излучения. Для этого спектр должен быть «растянут» настолько, чтобы в нем не перекрывались узкие участки (линии) спектра. Количество, положение и относительные интенсивности этих лини строго индивидуальны и характерны для каждого вещества.

В настоящей работе изучается монохроматор УМ2 (универсальный монохроматор, модель 2), предназначенный для спектральных исследований видимого и, частично, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Разложение света здесь осуществляется на основе явления дисперсии. Диспергирующим элементом в нем является стеклянная призма Аббе.

Оптическая схема монохроматора показана на рис. 2. Здесь: 1 - исследуемый источник света; 2 - конденсорная линза, предназначенная для увеличения яркости освещения щели. Ширина входной щели 3 регулируется микрометрическим винтом 4. Объектив 5 формирует параллельный пучок света и направляет его на переднюю грань призмы. Точная настройка (подвижка) этого объектива производится при помощи микрометрического винта 6. Призма Аббе 7 установлена на столике 9, который приводится во вращение барабаном 8. При помощи объектива 10 зрительной трубы изображение входной щели монохроматора формируется вблизи фокальной плоскости окуляра 12. В этой же плоскости помещен визир 11 – острие иглы. Это позволяет при визуальном наблюдении через окуляр одновременно видеть резкие изображения входной щели (вертикальные полоски света) и визира. Когда столик 9, на котором укреплена призма 7, барабаном 8 поворачивается относительно вертикальной оси, спектр также поворачивается, перемещаясь горизонтально, и в поле зрения

окуляра попадают разные участки спектра.