Градуирование шкалы спектральных приборов и изучение линейчатых спектров

Лабораторная работа № 4. 5.

 

Принадлежности: спектроскоп, высоковольтный генератор “Спектр”, выпрямитель на 8 В, спектральные трубки (неон и водорода), провода.

 

I. Основные понятия и определения

 

В однородной среде свет распространяется с постоянной скоростью. Если же среда неоднородна, то в различных областях скорость его распространения различна и прямолинейность световых лучей нарушается. В данном случае скорость

V= ,

где e – диэлектрическая проницаемость среды; m – магнитная проницаемость.

Каждой частоте колебаний v соответствует в вакууме впол­не определенная длина волны l₀=c/v. Электромагнитная волна, колебания которой происходят с одной строго постоянной частотой v, называется монохрома­тической («одноцветной»). Если монохроматическая волна попа­дает в какую-либо среду, то ее поле возбуждает вынужденные колебания связанных зарядов среды с той же самой частотой v. Колеблющиеся заряды создают вторичные электромагнитные волны той же частоты v. Суммарная электромагнитная волна, распространяющаяся в среде, представляет собой наложение первичной и вторичных волн и имеет частоту v, равную частоте исходной волны, падающей на среду, но изменяет свою ампли­туду, фазу и скорость распространения v.

Амплитуда и фаза вынужденных колебаний зависят от часто­ты вынуждающей силы v, точнее от ее отношения к частоте собственных колебаний системы v₀. В данной среде с определенными значениями v₀ монохроматические волны различной частоты будут создавать вынужденные колебания зарядов с амплитудой и фазой, зависящими от v. Соответственно различны, будут амплитуды и фазы испускаемых при этом вторичных волн.

Следовательно, скорость распространения каждой волны бу­дет зависеть от ее частоты: V=f(v).

Показатель преломления данной волны n=c/V=c/f(c)= y(v)оказывается зависящим от частоты падающего света. Длина волны в среде меняется для каждой частоты различное число раз:

lср=V/v=(c/v)*(v/c)= l₀/n.

Зависимость показателя преломления от частоты падающего света носит название дисперсии света.

Опытное изучение явления дисперсии света, пропуская «бе­лый» свет через призму, впервые осуществил Ньютон. При этом наблюдается спектр, т.е. широкая полоска, окрашенная в не­прерывно чередующиеся цвета радуги — от красного до фиоле­тового. Наиболее отклоняющиеся фиолетовые лучи обладают меньшей скоростью распространения в стекле, чем менее откло­няющиеся красные.

Мерой дисперсии является уменьшение показателя прелом­ления Dn на определенном интервале длин волн Dl. Отношение Dn/Dlразлично в разных областях спектра. Монотонно убывающая кривая, характеризующая зависи­мость показателя преломления от длины волны, для которой Dn/Dl< 0, иллюстрирует нормальную дисперсию.

Наряду с участками нормальной дисперсии могут появиться и участки так называемой аномальной дисперсии, для которых Dn/Dl > 0. C увеличением l, показатель преломления возрастает. Аномальная дисперсия в большинстве случаев бывает в области ультрафиолетовых волн. Однако для ряда веществ она наблю­дается и в видимой области спектра. Раскаленные твердые тела дают сплошной спектр испускания. Если источником света является раскаленный газ или пар, то картина спектра существенно меняется. На месте непрерыв­но переходящих одна в другую цветных полос мы видим не­сколько ярких линий, разделенных темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Линейчатые спектры испуска­ния возникают в тех случаях, когда источником излучения слу­жат атомы или ионы химических элементов, находящихся в га­зообразном состоянии. Примерами линейчатых спектров служат спектры водорода, неона, гелия.

Если источником излучения являются не атомы или ионы, а молекулы вещества, то получается так называемый полоса­тый спектр (например, спектр метана), в котором на цветном фоне наблюдаются темные полосы. Число линий спектра, их длины волн или частоты зависят от рода вещества и для дан­ного вещества являются характерными. Линии с одинаковыми длинами волн не повторяются в спектрах различных химиче­ских элементов.

Изучение спектров проводится при помощи различных спектральных приборов, простейшим из которых являются спектроскоп. Цель градуирования спектроскопа – выразить показания барабана прибора в длинах световых волн. Градуи­рование производится по одному из известных спектров гелия, водорода, криптона и других газов. Для этого пользуются спектральными трубками, наполненными специально очищенны­ми газами, находящимися под давлением около 1 мм рт. ст.и имеющими в средней части капилляр, в котором при пропуска­нии разряда происходит наиболее интенсивное свечение. Послед­нее наблюдают через спектроскоп в виде линей­чатого спектра.

Каждой светящейся линии будет соответствовать определен­ное положение барабана прибора.

На основании полученных измерений строят график зависи­мости длины волны от числа делений барабана (дисперсионную кривую). Длину волны для каждой цветной линии находят по таблице.

 

II. Методика эксперимента

 

1. Используемый в данной работе двухтрубчатый спектроскоп (рис. 1) состоит из зрительной и коллиматорной труб 4, трёхгранной призмы 3,отсчётного при­способления 2. На конце коллиматорной трубы в фокусе её линзы расположена щель. Свет от газоразрядной трубки посту­пает в систему спектроскопа через щель коллиматора и, выходя из линзы коллиматора, параллельным пучком падает на трех­гранную призму. В результате дисперсии пучок света разде­ляется призмой на составляющие лучи различных длин волн, которые воспринимаются объективом зрительной трубы. В плос­кости объектива каждая узкая область длин волн дает свою линию, которая наблюдается в спектроскопе через окуляр зри­тельной трубы.

В поле зрения спектроскопа имеется визирная нить. Враще­нием головки винта отсчетного приспособления с ней может быть совмещена каждая из линий спектра. Отсчётное приспо­собление спектроскопа состоит из неподвижного винта и вращающейся головки – барабана. Число целых делений берется по шкале винта, доли делений отсчитываются по барабану.

Рис.1. Двухтрубчатый спектроскоп

 

2. В качестве исследуемых источников линейчатых спектров используются спектральные трубки, наполненные водородом или неоном, которые находятся под давлением около 1 мм рт. ст. и имеют в средней части капилляр. В нем при пропускании разряда происходит наиболее интенсивное свечение. Спектраль­ные трубки при проведении работы подключают к высоковольт­ному индуктору. Один электрод трубки присоединяют к острию высоковольтного индуктора, второй — к его диску. Высоковольтный индуктор питается от селенового выпрямителя ВСА-10А, зажимы проводов которого через реостат присоединяют к клем­мам (10—12 в) высоковольтного индуктора. С помощью реоста­та регулируют яркость свечения капилляра спектральных тру­бок. Ключ индуктора во время работы должен быть замкнут.

 

III. Проведение эксперимента и обработка результатов

 

Согласно схеме собирают цепь. Перед щелью коллиматора помещают капилляр спект­ральной трубки, в котором наблюдается особенно интенсивное свечение газа. При установке источника света столик спектро­скопа располагают на необходимой высоте. Замкнув цепь, полу­чают хорошо видимую картину спектра в поле зрения спектро­скопа. Вращением головки микрометрического винта отсчётного приспособления спектроскопа совмещают визир с линией спект­ра. По таблице определяют длины волн. Наблюдение линий начинают с коротковолновой части спектра и для каждой ли­нии производят отсчеты по спектроскопу. В настоящей работе градуирование выполняется по спектру гелия.

В результате наблюдений для каждого отсчета по спектро­скопу получают соответствующие ему значения длины световой волны Я. По полученным данным на миллиметровой бумаге строят градуировочную или дисперсионную кривую (откладывая по горизонтали отсчеты, произведенные по микровинту п, и по вертикали – соответствующим значения длин волн линий в спектре гелия).

Затем перед щелью коллиматорной трубы помещают спек­тральную трубку водорода, спектр которого изучают. Совмещая последовательно указатель зрительной трубы со всеми види­мыми линиями спектра, производят отсчеты по спектроскопу для каждой линии. По полученным отсчетам, пользуясь дисперсион­ной кривой, определяют соответствующие им значения длин волн изучаемого спектра. Полученные по дисперсионной кри­вой значения длин волн линий изучаемого спектра сравнивают по справочным спектральным таблицам с известными значения­ми длин волн спектра данного элемента и определяют абсолют­ные значения расхождений между опытными и истинными зна­чениями.

 

 

цвет	l(нм)	xн(мм)
красный
зелёный
синий
фиолетовый

 

 

цвет	xne
красно-оранжевый (левая из 2 близких) желтая зелёная (левая из двух одинаковых) сине-зелёная (одинокая)

 

Контрольные вопросы

 

1. Почему скорость электромагнитной волны зависит от её частоты?
2. В чем состоит физический смысл показателя преломления?
3. Что понимают под дисперсией света?
4. Почему лучи разного цвета откланяются призмой на различные углы, у какого цвета больше отклонение?
5. Назначение устройства спектроскопа?
6. Что понимают под градуировкой спектроскопа?
7. Почему свет, преломляясь в бриллианте, даёт более насыщенные цвета, чем в стразе той же формы?
8. Почему возникает радуга, и в какой части неба она может появиться утром?
9. Отражённые от туч лучи наиболее видны под углом 42 градуса к солнечным лучам. Когда радуга выше в 16 или 17 часов?