что означает проградуировать монохроматор

Что означает проградуировать монохроматор

Цель работы: изучение принципа действия, устройства монохроматора; освоение методики градуировки спектральных приборов.

Принадлежности: монохроматор УМ-2, ртутная и газоразрядные лампы с источниками питания, лампа накаливания.

(1)

(2)

Тогда решение уравнения (1) имеет вид

(3)

где r ₀ – амплитуда колебаний осциллятора. Подставив (3) в (1), находим:

. (4)

(5)

где — диэлектрическая восприимчивость. Подставив (4) в (5) и решив уравнение относительно , получим

. (6)

Из (6) видно, диэлектрическая восприимчивость зависит от частоты светового поля и является комплексной величиной. Так как , то

. (7)

Уравнение (7) является уравнением дисперсии для диэлектрической проницаемости и показателя преломления. Анализ полученной формулы при наличии одной (и нескольких) собственной частоты колебаний гармонического осциллятора предлагается студентам самостоятельно.

Монохроматором называется спектральный прибор, выделяющий излучение в некотором, обычно довольно узком интервале длин волн , который можно непрерывно перемещать по спектру. Принцип действия монохроматора основан на явлении разложения света в диспергирующих средах. В качестве диспергирующих элементов используются или призмы или дифракционные решетки. Перестройкой диспергирующего элемента (поворотом призмы или дифракционной решетки) можно вывести на выходную щель изображение входной щели, которое соответствует заданному участку спектра.

Универсальный монохроматор УМ-2 предназначен для спектральных исследований, таких как исследование спектров поглощения и излучения различных веществ, а также для решения ряда аналитических задач. Прежде чем приступить к выполнению работы изучите описание монохроматора УМ-2, которое выдается в лаборатории.

Упражнение 1. Градуировка монохроматора

Градуировка прибора заключается в установлении зависимости показаний поворотного барабана монохроматора от длины волны. В данной работе эта зависимость устанавливается построением градуировочной кривой. Для градуировки используется свет ртутной лампы, длины волн, излучения которой хорошо известны.

Последовательность операций, выполняемых при градуировке:

1. Проверить правильность подключения вилки ртутной лампы к блоку питания.

2. Включить блок питания в сеть.

4. Нажатием кнопки ² пуск ² зажечь лампу.

5. Меняя ширину входной щели и положение окуляра, добиться резкого изображения спектра ртути.

6. Найти все основные линии спектра, приведенные в таблице 1.

7. Подводить к острию указателя последовательно все линии ртутного спектра и записывать для каждой показания барабана. Эксперимент повторить три раза. Данные занести в таблицу 1.

Упражнение 2. Определение длин волн спектральных линий криптона

Таблица 1. Наиболее интенсивные спектральные линии ртути

Длина волны ,

Источник

Градуировка монохроматора УМ-2

Прежде чем приступить к изучению спектров различных источников и измерению длин волны его спектра излучения, монохроматор нужно проградуировать, т.е. определить длины волн, соответствующие делениям шкалы барабана. Для этого используется источник с известным спектром. В работе для градуировки монохроматора применяется спектр атомов ртути.

Внимание! Все операции включения и юстировки монохроматора выполняет лаборант или преподаватель.

1. На рельсе вблизи входной щели УМ-2 установите кожух с ртутной лампой и подключите её к блоку питания. Включите блок в сеть 220 В, тумблер блока “сеть” переведите в положение “Вкл” и нажмите кнопку “Пуск”. Лампа иногда загорается и без нажатия кнопки. Для достижения максимальной яркости ртутной лампы потребуется некоторое время (3-5 мин).

2. Установите ширину входной щели 0,10 мм и откройте затвор коллиматора (9 на рис.10. в Приложение 3). Наблюдая через окуляр за спектром, выведите в поле зрения наиболее яркую жёлтую двойную линию (дублет) 577 нм и 579 нм. Установите передвижной указатель барабана в положение ≈ 1980º. Если изображение иглы указателя размыто, необходимо вращением кольца окуляра добиться его максимальной резкости. На отъюстированном приборе линии спектра при этом также будут резкими. Если же линии размыты, то с помощью преподавателя или лаборанта необходимо маховичком 2 (рис. 9 в Приложении 3) сфокусировать спектр.

3. Вращением барабана в одну сторону последовательно устанавливайте точно против иглы-указателя все линии ртутного спектра, записывайте каждый раз длину волны, пользуясь таблицей 1, и соответствующие ей деления барабана. Удобно начинать отсчет с фиолетовой линии 404,7 нм. Измерения каждой линии необходимо провести 3 раза и усреднить полученные значения.

4. Данные, включающую в себя длины волн ртутного спектра, соответствующие им цвета, а также измеренные и усреднённые значения делений барабана для длин волн каждой линии занести в таблицу 2.

5. По данным таблицы 2 построить градуировочный график зависимости длины волны (в нм) от соответствующих средних значений делений барабана .

Длины волн ярких спектральных линий некоторых элементов

Источник

Градуировка монохроматора

Прежде, чем проводить исследование, необходимо проградуировать монохроматор. Градуировка монохроматора осуществляется визуально путем наблюдения в плоскости выходной щели линий спектра через окуляр зрительной трубы. Для градуировки используется ртутная лампа ДРШ, которая в видимой области спектра дает несколько ярких линий излучения, хорошо различимых по цвету:

— фиолетовые 4047 Å и 4078 Å;

— относительно слабая зелено – голубая 4916 Å;

— яркая зеленая 5461 Å;

— желтый дуплет 5770 – 5791 Å;

— красная неяркая 6234 Å;

— красные слабые 6716 Å и 6907 Å.

Для повышения точности градуировки необходимо:

1 В выходной трубе заменить патрубок со щелью патрубком со

2 На оптической скамье установить ртутную лампу ДРШ и конденсор.

3 Включить в сеть пульт питания.

4 Тумблером ДРШ и кнопкой поджига включить ртутную лампу.

5 Ртутную лампу и конденсор расположить на оптической скамье так,

чтобы световой пучок был узким и попал в центр входного отверстия

6 Через окуляр зрительной трубы рассмотреть спектральные линии,

фокусируя их с помощь маховичка 12 и окуляра зрительной трубы.

7 Вращая барабан 13, подвести к указателю соответствующую линию

спектра и снять показания шкалы барабана.

8 Аналогичные измерения провести для других линий спектра.

9 Данные измерений занести в таблицу 3.1 и построить график

градуировки , где N – отсчет по шкале барабана.

( График строят на миллиметровой бумаге).

Исследование зависимости фототока от длины волны

Источник

Градуировка монохроматора

Для проведения спектральных исследований монохроматор должен быть проградуирован, т.е. нужно установить, какой длине волны соответствует то или другое деление барабана поворотного механизма. Градуировка может быть осуществлена с помощью любого источника света, имеющего достаточно интенсивный линейчатый спектр. При этом длины волн линий излучения должны быть известны.

В данной работе для градуировки используется дуговая ртутная шаровая лампа ДРШ-250. В табл.1 указан цвет, относительная интенсивность и длина волны ее линий излучения в видимой области спектра. Ртутная лампа включается через блок питания.

Градуировка монохроматора производится в следующем порядке.

1. Установить конденсор и ртутную лампу на оптический рельс перед входной щелью монохроматора.

2. Последовательно включить тумблера«Сеть» и «Лампа ДРШ» блока питания, затем нажать кнопку«Пуск» и удерживать ее в нажатом положении до тех пор, пока лампа не загорится устойчивым разрядом.

3. Перемещая рейтеры конденсора и лампы, добейтесь четкого изображения разрядного промежутка на колпачке 9. Работая винтами, сдвигающими конденсор в вертикальном и горизонтальном направлениях, совместите это изображение с перекрестием колпачка. Флажок шторки«Открыт-закрыт» 16 поставьте в положение«Открыт».

4. С помощью микрометрического винта10 (Рис.7) установите ширину входной щели равную0.02 мм. При этом край микрометрического винта должен совпадать с цифрой«0», а индекс на шкале нониуса с цифрой«20«, как показано на рисунке рядом. Снимите колпачок9, закрывающий входную щель коллиматора

5. Вращая барабан 11 поворотного механизма, выведите линии спектра в поле зрения окуляра. Включите тумблер15 подсветки указателя. Поворачивая револьверную оправу 3 сменных светофильтров, осветите указатель желтым светом. Вращая окуляр2,добейтесь максимальной резкости указателя. В этом случае изображение спектральных линий тоже должно быть резким.

Барабаном 11 подведите к указателю желтый дублет. При правильной установке ширины щели и фокусировке окуляра две желтые линии должны наблюдаться раздельно. Поворачивая барабан 11, просмотрите весь спектр излучения ртутной лампы (Рис. 8).

6. Измерьте положение каждой из спектральных линий, приведенных в таблице 1 и помеченных точками на Рис. 8. Измерения рекомендуется начинать с фиолетовой части спектра и последовательно двигаться к красной. Вращением барабана 11, совместите линию с указателем, снимите соответствующий отсчет по барабану (напротив индекса 12) и занесите результат в таблицу 2. Измерение проведите три раза.

Не выключайте ртутную лампу, не убедившись в правильности измерений.

Рис. 8. Линии спектра ртутной лампы.

Табл.1. Спектр излучения ДРШ-250 в видимой области

Табл.2. Результаты измерений.

7. Введите в компьютер данные измерений линий спектра из таблицы 2 и получите на экране значения φ_ср и градуировочный график монохроматора.

9. Результаты измерений и график покажите преподавателю.

10. Выключите последовательно тумблера«Лампа ДРШ» и«Сеть» блока питания. Наденьте колпачок на вход коллиматора.

Источник

Лабораторная работа № 70

Цель работы : изучение и градуировка монохроматора, определение дисперсии и разрешающей способности призмы монохроматора.

Приборы и принадлежности : монохроматор УМ-2, ртутная лампа.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Спектральные приборы: монохроматоры, стилоскопы, спектрофотометры, спектрографы и другие – служат для получения оптических спектров, т.е. для пространственного разделения лучей различных длин волн, и являются основой экспериментальной спектроскопии.

Этот раздел оптики возник в середине XIX века в результате работ Р. Бунзена и Г. Кирхгофа, показавших, что каждый химический элемент имеет свой спектр, не совпадающий со спектрами других элементов, и, следовательно, является такой же фундаментальной характеристикой элемента, как, например, его атомная масса. Теоретические основы спектроскопии были заложены работами Н. Бора
(1914 г.). Согласно атомной теории Бора закономерности в расположении линий в спектре определяются структурой электронной оболочки атома.

Современная спектроскопия как метод исследования представляет большой интерес для физики плазмы, астрофизики, квантовой электроники, так как на основе изучения спектров можно выяснить строение электронных оболочек атомов, ионов, молекул. Сверхтонкая структура линий позволяет получить сведения о некоторых свойствах атомных ядер; яркость спектральных линий, их сдвиг и уширение дают определенные сведения о свойствах среды, в которой находятся излучающие атомы.

Существуют различные способы монохроматизации света, т.е. выделения из спектра излучения источника электромагнитных волн в интервале длин волн. Методы получения монохроматического света основаны на явлениях взаимодействия света с веществом (селективное поглощение, дисперсия) либо на свойствах распространения света в оптически неоднородных средах (интерференция, дифракция). В данной работе получение монохроматического света
основано на дисперсии света – зависимости фазовой скорости света (показателя преломления среды) от длины волны.

На границе двух сред с различными показателями преломления волны разных длин преломляются по-разному. Если суметь выделить волны определенного направления, будет осуществлена монохроматизация. Этот принцип лежит в основе работы спектрального прибора – призменного монохроматора, пространственно разделяющего лучи разных длин волн.

Принципиальная оптическая схема монохроматора представлена на рис. 1.

Схема состоит из трех основных частей: коллиматора 2–4, служащего для получения параллельного пучка лучей; диспергирующей системы 5, разлагающей немонохроматический свет в спектр; и зрительной трубы 6–8 для наблюдения спектра. Свет от источника излучения 1 проходит через конденсор 2, освещает щель 3, которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора 4, и параллельным пучком падает на диспергирующую призму 5. Призмы разлагают свет на монохроматические составляющие, и из системы призм выходят параллельные пучки лучей, соответствующие волнам определенной длины . Эти параллельные пучки лучей соберутся в фокальной плоскости 7 объектива 6 зрительной трубы в виде спектрального изображения щели 3. Если источником света служит лампа низкого давления, содержащая инертный газ, то спектральное изображение щели 3 будет иметь вид цветных линий, соответствующих атомному линейному спектру газа лампы. Наблюдать спектр можно через окуляр 8.

Основными характеристиками монохроматора являются дисперсия и разрешающая способность.

Угловой дисперсией D_φ монохроматора называют отношение углового расстояния δφ между двумя спектрально близкими монохроматическими линиями, отличающимися по длине волны на δλ, к δλ:

, (1)

где δφ – угловое расстояние между спектральными линиями; δλ – разность длин волн спектральных линий.

Угловая дисперсия измеряется в радианах на нанометр (рад/нм) и определяется только свойствами призм (зависит от преломляющего угла призмы, показателя преломления n и дисперсии dn/dλ материала призмы).

Линейной дисперсией D _l называют отношение линейного расстояния δ l между двумя спектрально близкими монохроматическими линиями, отличающимися по длине волны на δλ, к δλ:

, (2)

где δ l – расстояние между спектральными линиями λ и λ + δλ;
δλ – разность длин волн спектральных линий.

Линейная дисперсия измеряется в миллиметрах на нанометр (мм/нм). Линейная и угловая дисперсии связаны между собой. Если фокусное расстояние выходного объектива 6 (рис. 1) равно f, то

, (3)

. (4)

Дисперсия спектральных аппаратов имеет различное значение в разных участках спектра. Поэтому угловое и линейное расстояния между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на одну и ту же величину, будут также различными в разных участках спектра.

Разрешающая способность R монохроматора определяет возможность прибора разделять две близкорасположенные спектральные линии с длинами волн λ₁ и λ₂, т.е. тот наименьший интервал длин волн δλ = λ₂ – λ₁, для которого две спектральные линии в соответствии с критерием Рэлея могут наблюдаться раздельно. Разрешающая способность прибора есть безразмерная величина:

, (5)

При малых углах δφ имеем

где В – диаметр (или действующее отверстие) выходного объектива монохроматора. Из выражения (1) δφ = D_φ∙ δλ, тогда с учетом (5) и (6)

. (7)

Из формулы (4) имеем , тогда разрешающая способность призмы монохроматора равна

, (1.8)

где f = 280 мм – фокусное расстояние выходного объектива;
В = 40 мм – действующее отверстие призмы (для монохроматора УМ-2).

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ
И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Наблюдение спектральных линий и измерение их положения производится на монохроматоре УМ-2 со стеклянной оптикой.

Внешний вид монохроматора представлен на рис. 2.

Монохроматор укреплен на рельсе, где также размещены источник света (ртутная лампа) и конденсор, закрепленные в штативах. Смещать штативы не разрешается.

Основными частями монохроматора является коллиматор 7, диспергирующая призма 8 и выходная труба 2.

В качестве входной щели 5 коллиматора применена стандартная симметричная щель, ширина которой регулируется микрометрическим винтом 6. Щель выставлена, трогать микрометрический винт не рекомендуется.

Диспергирующая призма 8 называется призмой с постоянным углом отклонения. Эту призму можно рассматривать как совокупность двух диспергирующих: 30- и 45-градусной призм полного внутреннего отражения. Вращение призмы осуществляется с помощью поворотного механизма 9. На барабане длин волн поворотного механизма нанесены относительные деления – градусы. Отсчет читается против индекса, скользящего по спиральной канавке.

Задачей данной работы является градуировка монохроматора, т.е. установление зависимости между длинами волн монохроматических пучков, проходящих через выходную щель, и соответствующими делениями шкалы 4 барабана.

Для градуировки прибора служит ртутная лампа, установленная под кожухом. Эта лампа – мощный источник света. Во время работы в лампе развивается до 30 атмосфер, поэтому обращаться с ней следует осторожно. Лампа дает линейчатый спектр (см. рис. 3).

Рис. 3

Все интенсивные спектральные линии отмечены на стандартном спектре крестиками.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Задание 1. Отградуировать монохроматор.

3.1.1. Включают ртутную лампу.

3.1.2. Поворачивая барабан, просматривают через окуляр весь спектр.

3.1.3. Совмещают с индексом окуляра последовательно линии ртути от красной до фиолетовой и делают отсчеты по барабану монохроматора, отмечая цвет линий.

3.1.4. Измерения повторяют два раза. При этом следует подводить каждую линию к центру щели только с одной стороны во избежание погрешности за счет люфта барабана.

3.1.5. Полученные данные заносят в таблицу (форма табл. 1).

Отсчет по барабану

Среднее
значение
отсчетов ‹N›, … °

Источник