Анализ и обработка результатов измерений. 1. По данным табл. 10.1 заполните табл

1. По данным табл. 10.1 заполните табл. 10.3. Для этого в первый столбец запишите все значения углов падения j, для которых значения cos²j будут одинаковы (например, cos²10° = cos²170° = cos²190° = cos²350°). В последний столбец запишите средние значения интенсивностей для этих углов падения.

По данным табл. 10.3 постройте график зависимости < I> = f (cos²j). Выполняется ли закон Малюса? Вычислите степень поляризации света в данном случае и оцените качество поляроидов.

3. Заполните полностью табл. 10.2 и постройте по её данным график зависимости P = f (N). Сделайте выводы.

4. Как расположены плоскости поляризаций света, прошедшего через поляризатор и отражённого от него? Сделайте рисунок.

Сформулируйте и запишите обобщающий вывод.

Таблица 10.3

j,°	cos2j	I 1	I 2	I 3	I 4	< I>
0,…
10, …
20, …
30, …
40, …
50, …
60, …
70, …
80, …
90, …

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение: поляризации, поляризатора, поляризованного света, Закона Малюса. Письменный ответ на этот вопрос необходимо включить в отчет.

2. Назовите составные части лабораторной установки и их назначение.

3. Какие величины измеряются в данной работе непосредственно? Какие вычисляются?

4. О каком свойстве электромагнитной волны свидетельствует ее поляризация?

5. Чем отличается естественный свет от поляризованного? Какие вы знаете виды поляризованного света.

6. Какой нужно поставить опыт, чтобы узнать степень поляризации света?

7. Выведите закон Малюса. Что такое I ₀ и I в уравнении (10.6)?

8. Чему равна степень поляризации естественного света?

9. Назовите способы получения плоскополяризованного света.

10. Сформулируйте закон Брюстера.

11. Укажите положение плоскостей поляризации отраженного и преломленного света.

 

 

Работа № 11. ГРАДУИРОВКА МОНОХРОМАТОРА.

Цель работы: ознакомиться с устройством монохроматора, выполнить его градуировку, изучить на примере спектров излучения паров ртути и инертных газов особенности линейчатых и сплошных спектров.

Оборудование: монохроматор, лампа дневного света (ртутная).

Краткая теория

Как известно, вещества в твердом состоянии испускают излучение со сплошным спектром, одинаковым для всех тел. В разреженных газах или в парах металлов взаимодействие между отдельными атомами незначительно. Поэтому спектры таких газов состоят из отдельных спектральных линий различных частот, строго определенных для каждого химического элемента. Такой спектр называется линейчатым. Таким образом, по линейчатому спектру можно определить, какой элемент присутствует в газе.

Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Было замечено, что линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы, которые получили название серий. Некоторые линии (или полностью серии линий) лежат в видимой области спектра, но большая часть находится в инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра. Проще всего пронаблюдать эти закономерности на примере простейшего атома – атома водорода.

Длину волны любой линии можно представить одной формулой, которая называется сериальной:

,

(11.1)

где n = 1, 2, 3, 4, 5; m и n – целые числа. При заданном n число m принимает значения, начиная с n + 1.

Объяснение закономерностей расположения линий в спектре можно получить, основываясь на теории атома водорода, предложенной Н.Бором. Он сформулировал законы движения электрона в атоме и характер излучения атома в виде постулатов, которые дали объяснение экспериментальным фактам.

Первый постулат. Электрон в атоме может двигаться только по строго определенным – стационарным орбитам, находясь на которых, он не излучает энергию. Радиус стационарных орбит определяется из условия: момент импульса электрона кратен постоянной Планка:

; (n = 1, 2, 3, …).

(11.2)

Второй постулат. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта, энергия которого пропорциональна частоте излучения:

.

(11.3)

Энергии hn при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается переход электрона:

.

(11.4)

 

На рис. 6.1 схематически показаны переходы электрона, которые связаны с появлением видимых линий в спектре атома водорода. Физический смысл чисел n и m легко понять с помощью формулы (6.8): это номера орбит, между которыми происходит переход электрона. Несмотря на удачное объяснение спектральных закономерностей водородоподобных атомов, теория Бора обладает рядом недостатков. В частности, она не может объяснить спектры излучения более сложных атомов и различную интенсивность спектральных линий. Эти трудности были преодолены квантовой теорией, показавшей неприменимость классических представлений к микрообъектам.

Описание установки

В данной лабораторной работе Вы будете наблюдать видимую часть спектра атомов ртути и других газов. Для получения спектра используется монохроматор УМ-2. Оптическая схема прибора показана на рис. 11.2.

Основной частью монохроматора является призма 4, разлагающая свет в спектр. Свет на призму попадает от источника 1 через коллиматорную трубку, состоящую из щели 2 и конденсора (системы линз) 3, с помощью которых получают узкий пучок параллельных лучей. После преломления в призме лучи собираются линзой 5 в её фокальной плоскости, где получается изображение спектра.

Разложение белого света при прохождении его через призму –проявление дисперсии света. Это явление, экспериментально открытое Ньютоном в 1672 году, обусловлено зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (частоты) света. Сущностью явления дисперсии является различие скоростей распространения лучей света с различной длиной волны в веществе. Различают нормальную и аномальную дисперсию. При нормальной дисперсии, чем больше частота световой волны, тем меньше скорость волны в среде и больше показатель преломления. Она наблюдается вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом. В некоторых веществах наблюдается аномальная дисперсия, при которой фиолетовые лучи преломляются меньше, чем красные. Аномальная дисперсия наблюдается у всех газов на частотах вблизи линий поглощения. При нормальной дисперсии d n /d ν >0, а при аномальной дисперсии d n /d ν <0, где n – показатель преломления, ν - частота света.

Отклонение лучей, падающих под углом α₁ на призму с углом у ее основания ω и выходящих из нее под углом α₂, определяется формулой:

 

(11.5)

При малом угле падения входящего луча для угла его отклонения получается более простая формула:

 

(11.6),

где n — относительный показатель преломления материала призмы.

У света красного цвета скорость распространения в стекле максимальна, а показатель преломления – минимальный, а для света фиолетового цвета скорость распространения в стекле минимальна, а показатель преломления – максимальный. Поэтому для света, прошедшего через призму максимальное отклонение наблюдается для фиолетового света, а минимальное – для красного.

На рис. 11.3 изображен общий вид монохроматора. Для регулировки ширины щели имеется винт 4. Рукоятка 5 с надписью «закрыто – открыто» управляет движением затвора. Весь спектр не попадает в поле зрения прибора, и, поворачивая призму, можно наблюдать только разные его части. Поворот призмы осуществляется барабаном 6, на котором нанесены деления – градусы, отсчёт которых делается по указателю 7. Чтобы определить длину волны, спектральную линию устанавливают посередине указателя, имеющегося в окуляре 8.

Для определения длины волны, соответствующей выбранной линии в спектре, необходимо соотнести значения на шкале барабана N с длинами волн l. Это можно сделать, исследуя излучение с известным спектром. Как правило, полученные данные представляются в виде графика зависимости N=f(l), который называется градуировочным графиком. Так как значения на шкале барабана N соотносятся с отклонением лучей при прохождении призмы, производная d N /d l, характеризующая наклон градуировочного графика, позволяет судить о виде и величине дисперсии, наблюдаемом при разложении света в спектр.

 

Выполнение работы

Задание 1. Градуировка монохроматора

Для градуировки монохроматора нужно установить, наблюдая спектр с линиями известной длины волны, какому делению барабана N какая длина волны l соответствует. Для этого используется лампа дневного света (ртутная лампа), для спектральных линий которой длины волн указаны в табл. 11.1.

Прежде чем приступить к градуировке, внимательно рассмотрите спектр лампы. (Опишите в отчете и дайте объяснения его характернымособенностям). Помните, что в лампе светятся и пары ртути, возбуждённые электрическим газовым разрядом, и твёрдое вещество – люминофор, нанесённый на стенки лампы. Затем приступайте к градуировке прибора. Для этого последовательно устанавливайте в поле зрения окуляра представленные в табл. 11.1 спектральные линии, записывая соответствующие деления барабана N. Каждую линию следует устанавливать не менее 2 раз (стараясь, чтобы середина линии приходилась точно на острие указателя).

Таблица 11.1

Линии спектра ртути	l, нм	Деления шкалы барабана
N 1	N 2	<N>
Оранжевая Желтая левая Желтая правая Зеленая яркая Слабая голубая Сине-фиолетовая Фиолетовая	612,8 579,1 577,0 546,1 491,6 435,8 404,7

Замеры нужно проводить тщательно, устанавливая против указателя середину спектральной линии.

Задание 2. Изучение спектра излучения других источников

С помощью монохроматора изучите особенности спектров других предложенных вам источников излучения: газоразрядных трубок, наполненных другими газами. Для этого установите трубку так, чтобы ее излучение попадало во входную щель монохроматора, и настройте ширину и положение щелей прибора так, чтобы в окуляр наблюдался четкое изображение линий спектра. Дважды определите положение основных линий в спектре по значению около делений на шкале барабана и запишите полученные значения в таблицу.

 

Таблица 11.2

Линии спектра (цвет)	Деления шкалы барабана	l, нм
N 1	N 2	<N>