АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»
Кафедра
физики
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.10
Исследование спектра неона при помощи
призменного монохроматора
Москва
2005 г.
1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.10
Исследование спектра неона при помощи призменного монохроматора
Цель работы:
ознакомиться с устройством и принципом действия
призменного монохроматора УМ  2; исследовать спектр
неона и с помощью монохроматора определить длины
волн наиболее ярких линий в этом спектре.
Теоретическое введение
Все химические элементы при определенных условиях дают характерное для
каждого из них излучение. Для возбуждения световых излучений используют
различные физические процессы (свечение раскаленных тел, электрический дуговой
разряд, свечение возбужденных газов и паров металлов, свечение тел под действием
излучения, излучение лазеров и др.)
Различают интегральное (полное) и монохроматическое световые излучения.
Интегральным или полным, излучением принято называть суммарное излучение в
широком интервале длин волн. Монохроматическим называют излучение одной
какой-либо длины волны или излучение в очень узком интервале длин волн d.
Монохроматическое излучение можно характеризовать также частотой, так как
длина волны и частота υ электромагнитных колебаний связаны между собой
соотношением λ 0  c/υ , где с  скорость света в вакууме. В любой среде с
показателем преломления n λ  λ 0 / n .
Интегральное излучение дают сложные, так называемые «белые источники
излучения». Они могут быть естественными (например, солнечное освещение или
рассеянное дневное освещение) и искусственными (лампы накаливания и др.).
Наиболее мощным естественным источником является Солнце, которое дает
излучение в интервале длин волн  от 200 до 1800 нм с максимумом при  = 555 нм.
Скорость распространения световых волн в среде, а следовательно, и
показатель преломления среды зависят от длины волны проходящего света.
Показатель преломления является функцией длины волны, то есть n = f().
Зависимость абсолютного показателя преломления вещества от длины волны
проходящего света называют дисперсией. Преломленный свет сохраняет ту же
частоту колебаний, что и падающий, но изменяет фазовую скорость своего
распространения, а также показатель преломления и длину волны в зависимости от
свойств среды.
Дисперсию считают нормальной, если
показатель преломления с увеличением длины
волны уменьшается (рис.10.1). Для прозрачных
веществ, в том числе и для оптических стекол
всех марок, имеет место нормальная дисперсия.
При уменьшении длины волны показатель
преломления в оптических стеклах возрастает,
поэтому фиолетовые лучи с более короткой
длиной волны преломляются сильнее,
чем
зеленые и красные.
Если вещество поглощает часть лучей, то в
2
области поглощения и вблизи нее наблюдают
аномальную дисперсию, то есть уменьшение
показателя преломления с уменьшением длины
волны.
На различной преломляемости лучей с
разной длиной волны, то есть на явлении
дисперсии, основано спектральное разложение
сложного немонохроматического излучения,
например, белого света в спектр.
Совокупность монохроматических волн
различной
частоты
в
вакууме
будет
распространяться совместно с одной и той же
скоростью. Попадая в какую-либо среду, они начнут двигаться с различными
скоростями, начнут по-разному преломляться и разойдутся по различным
направлениям - будут диспергировать. Наиболее отчетливо дисперсия наблюдается
при прохождении света через стеклянную призму (рис.10.3).
По методу получения спектры делятся на призматические, интерференционные
и дифракционные. Спектр белого света, полученный с помощью призмы, называют
призматическим, с помощью дифракционной решетки  дифракционным и в
результате интерференции  интерференционным.
Различают спектры испускания и спектры поглощения.
Спектры, полученные от самосветящихся тел, называют спектрами испускания.
Спектры поглощения получаются, если пучок света, испускаемый каким-либо
раскаленным телом, пропускать через газообразную среду, спектр которой нужно
исследовать. По своему виду спектр поглощения отличается от сплошного тем, что в
нем па фоне сплошного спектра имеются темные линии или области. Закон Кирхгофа
устанавливает, что любое тело поглощает только те лучи, которые оно само может
испускать. Следовательно, если светящиеся пары натрия, например, испускают две
3
цветные линии в желтой части спектра, то при пропускании через пары натрия
"белого" света именно эти лучи будут поглощены. В спектре поглощения получаются
две темные линии в том самом месте, где находились бы желтые линии спектра
испускания паров натрия.
Исследование спектров испускания и спектров поглощения (спектральный
анализ) позволяет установить качественный состав различных веществ.
Количественное содержание отдельных элементов в соединении определяют путем
измерения яркости их спектральных линий.
В зависимости от природы излучения спектры разделяют на три основных
типа: непрерывные или сплошные, линейчатые и полосовые.
Сплошной спектр представляет собой непрерывную цветную полосу,
имеющую все оттенки видимого света - от красного до фиолетового. Сплошной
спектр испускается твердыми и жидкими нагретыми телами. Этот спектр могут также
иметь излучения газообразных атомов и молекул при высоких давлениях.
Источниками излучения со сплошным спектром являются лампы накаливания,
электрический дуговой разряд.
Линейчатый спектр состоит из отдельных цветных линии на темном фоне и
получается при свечении паров и газов в разрежённом, состоянии, когда вещество
находится в атомарном состоянии.
Линейчатый спектр имеют газоразрядные лампы, применение которых дает
возможность подбирать необходимое монохроматическое излучение.
Полосовой спектр или иначе молекулярный спектр состоит из широких полос
или групп линий и получается, когда вещество находится в молекулярном состоянии
(пары спирта, бензина, окиси углерода и пр.).
Полосовые спектры являются результатом
изменения электронной,
колебательной и вращательной энергии молекул.
Спектры поглощения получаются, если пучок света, испускаемый каким-либо
раскаленным телом, пропускать через газообразную среду, спектр которой нужно
исследовать. По своему виду спектр поглощения отличается от сплошного тем, что в
нем па фоне сплошного спектра имеются темные линии или области. Закон Кирхгоф
устанавливает, что любое тело поглощает только те лучи, которые оно само может
испускать. Следовательно, если светящиеся пары натрия, например, испускают две
цветные линии в желтой части спектра, то при пропускании через пары натрия
"белого" света именно эти лучи будут поглощены. В спектре поглощения получаются
две темные линии в том самом месте, где находились бы желтые линии спектра
испускания паров натрия.
Приборы, предназначенные для исследования спектров, образованных при
испускании света различными физическими телами  звездами, раскаленными
парами металлов, газами при электрическом разряде и т.п., называют спектральными
приборами.
Оптическая схема спектрального прибора (рис. 10.4) в общем случае состоит из
следующих основных частей: I  осветительной; II  диспергирующей; III 
приемно регистрирующей. Осветительное устройство предназначено для создания
достаточно сильного и равномерного освещения щелевой диафрагмы 3 исследуемым
излучением.
В осветительную часть входят источник излучения 1 и конденсор 2,
проецирующий изображение источника на входную щель 3 коллиматора.
4
Диспергирующая часть II служит для разложения в спектр идущего из коллиматора параллельного пучка лучей. Узкая щелевая входная диафрагма
3
установлена
в
фокальной плоскости объектива
4 коллиматора. Коллиматор
направляет параллельные пучки
лучей
на
диспергирующий
элемент 5, в качестве которого
применяют дисперсионные призмы и дифракционные решетки.
Устройство приемно-регистрирующей части III зависит в
первую очередь от назначения
спектрального прибора.
Приемно - регистрирующее
устройство
при
визуальном
методе наблюдения представляет
собой зрительную трубу. Она
состоит из объектива 6
и
окуляра 8. Между объективом и окуляром расположен указатель 7. В современных
спектральных приборах спектральное разложение осуществляется с помощью
диспергирующих систем, состоящих из нескольких призм. Такая оптическая система
позволяет получить большую дисперсию, а также изменять углы отклонения лучей.
На рис. 10.4 представлена призма Аббе, представляющая собой блок из трех
склеенных прямоугольных призм.
Экспериментальная установка
В работе используется стекляннопризменный монохроматор - спектрометр УМ2, предназначенный
для спектральных исследований в
диапазоне от 3800 до 10000 Å. В
состав прибора входят следующие
основные части (рис. 10.5):
Входная щель 1, снабженная микрометрическим винтом 2, который
позволяет открывать щель на нужную ширину. Коллиматорный
объектив 3 служит для создания
параллельного пучка лучей. Он
снабжен микрометрическим винтом 4. Винт позволяет смещать
объектив относительно щели при
Рис.10.5
5
фокусировке спектральных линий различных цветов. Сложная спектральная призма 5
установлена на поворотном столике 6. Призма 5 состоит из трех склеенных призм.
Поворотный столик 6 вращается вокруг вертикальной оси при помощи
микрометрического винта с отсчетным барабаном 7. На барабан нанесена винтовая
дорожка с градусными делениями. Вдоль дорожки скользит указатель поворота
барабана 8. При вращении барабана призма поворачивается, и в центре поля зрения
появляются различные участки спектра. Зрительная труба состоит из объектива 9 и
окуляра 10. Объектив дает изображение входной щели 1 в своей фокальной
плоскости. В этой плоскости расположен указатель 11. Изображение рассматривают
через окуляр 10. Монохроматор заключен в массивный корпус, предохраняющий
прибор от повреждений и загрязнений. Прибор также снабжен оптической скамьей
12, на которой могут перемещаться рейторы с источником света. Источник света
рекомендуется располагать на расстоянии 45 см от щели. В состав установки входит
пульт управления, служащий для питания источников света и осветительной системы
спектрометра.
Спектрометр УМ  2 относится к числу точных приборов. Он требует
бережного и аккуратного обращения.
Щель установлена. Трогать микрометрический винт 2 не рекомендуется.
Проведение эксперимента
Прежде чем исследовать спектр неона, необходимо отградуировать
монохроматор, то есть определить зависимость показаний шкалы отсчетного
устройства барабана от длины волны света. В качестве эталонного источника света
используется излучение лампы, наполненной парами ртути.
А. Градуировка монохроматора
1. Включить ртутную лампу и установить её против входной щели монохроматора
на расстоянии 0,4 - 0,5 м. Порядок включения пускового устройства ртутной
лампы и установки ширины щели указан в таблице, прилагаемой к
монохроматору.
2. На расстоянии 0,15 м от плоскости щели установить конденсор.
3. Добиться отчетливой видимости спектральных линий вращением кольца
окуляра 10 зрительной трубы.
4.
Вращая барабан, совместить наблюдаемые, наиболее интенсивные линии спектра
ртути с указателем в зрительной трубе. Найти для каждой линии ртути (1, 2,
3,...), начиная с красной [623,43 нм], соответствующие показания шкалы
барабана в условных градусах (L1, L2, L3,...). Данные занести в таблицу I.
6
Таблица I.
№
Цвет линии
1.
2.
Темно красная слабая
Светло желтые: 1  ая
2  ая
зеленая
Зелено  голубые: 1 ая
2 ая
Синяя
Фиолетовые: 1  ая
2  ая
3.
4.
5.
6.
Длина волны
, нм
623.43
579.06
576.96
546.07
496.03
491.60
435.83
407.78
404.65
Показания шкалы
барабана L, град.
B. Определение длин волн в спектре неона
1.
Непосредственно перед входной щелью
газоразрядную трубку, наполненную неоном.
монохроматора
установить
2. Добиться четкого изображения спектра.
3.
Выбрав ряд наиболее ярких линий из всех участков спектра (не менее 6),
совмещают каждую из них с указателем в поле зрения окуляра, отмечая показания
шкалы барабана (L1, L2 , L3, ...). Показания шкалы занести в таблицу 2.
Таблица 2.
№
Цвет линии
Показания шкалы
барабана L, град.
Длина волны
, нм
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Обработка результатов
1.
По данным таблицы 1 на миллиметровой бумаге в большом масштабе построить
график дисперсионной кривой  = (L), откладывая по оси абсцисс длины волн
, а по оси ординат  значения углов шкалы барабана L.
7
2. По данным таблицы 2 с помощью дисперсионной кривой для каждого показания
шкалы барабана найти соответствующие значения длин волн (1 ,2 ,3,...).
3. Полученные значения длин волн занести в таблицу 2.
Контрольные вопросы
1. Что называется дисперсией света? Какова причина этого явления?
2. Что называется нормальной дисперсией?
3. Какая дисперсия называется аномальной? Объясните причину возникновения
аномальной дисперсии.
4. Как объясняется явление дисперсии с точки зрения электронной теории
дисперсии?
5. Какие лучи видимого спектра (красные или фиолетовые) имеют большую
скорость в стекле?
6. Какие бывают виды спектров?
7. Чем отличается сплошной спектр от линейчатого?
8. Нарисуйте ход лучей в спектральном аппарате.
9. Из каких основных частей состоит спектральный прибор?
Литература
1. Трофимова Т.И.
Курс физики.  М.: Высшая школа, 2003.
с. 265 ... 278.
2. Савельев В.И.
Курс общей физики. Книга 4. Волны. Оптика.  М.:
Наука, 2003. глава 7, с. 216 ... 226.
3. Сивухин Д.В.
Общий курс физики.  М.: Наука, 2002.
т.4, Оптика, глава 8, с. 517…537.
4. Детлаф А.А.,
Яворский Б.М.
Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999. Глава 33,
с. 453...462.
5. Ремизов А.Н.,
Потапенко А.Я.
Курс физики.  М.: Дрофа, 2002. гл.25, с. 496…499.
7. Бутиков Е.И.
Оптика.  Санкт-Петербург: 2003. Гл. 2, с. 81…91.
Глава 23,