РАБОТА № 6

РАБОТА № 6
Градуировка спектрометра. Определение длин волн.
I. Оптическая схема и конструкция спектрометра.
Спектрометр представляет собой оптический прибор, позволяющий исследовать
спектральный состав света.
Простейший призменный спектрометр состоит из коллиматорной трубки A со щелью S
и объективом – линзой L, призмы P и зрительной трубы B с объективом L2 и окуляром L3.
Щель S устанавливается в главной фокальной плоскости объектива коллиматора. То
есть пучок лучей, выходящий из коллиматора, оказывается параллельным. Далее этот
световой пучок падает на грань призмы P. Поскольку вещество призмы обладает
различными показателями преломления для различных длин волн (дисперсия), то свет,
выходит из призмы разделенным на различные монохроматические пучки,
различающиеся по направлению (на рис. 1 показано два таких пучка). Каждый из
параллельных монохроматических пучков собирается в определенной точке фокальной
плоскости объектива трубы L2 , что дает ряд цветных линий – изображений щели S в
лучах соответствующей длины волны. Эти изображения рассматриваются затем с
помощью окуляра, играющего роль лупы.
Рис. 1
Для измерения длины волны какой-либо линии спектра нужно определить угол, на
который соответствующие лучи отклоняются призмой. Для этого в трубе имеется
указатель G – крест нитей или острие. Поворачивая трубу и добиваясь совмещения
указателя с интересующей нас линией спектра, можно определить направление лучей
данной длины волны.
В нашем спектрометре поворачивается не труба, а призма. Поворот призмы
осуществляется с помощью микрометрического винта, головка которого представляет
собой барабан с делениями. Отсчет по барабану производится с помощью указателя,
скользящего по канавке барабана.
Измерение длин волн требует предварительной градуировки барабана по спектру
какого-либо источника с известными длинами волн. Результаты градуировки
представляют обычно в виде градуировочной кривой, связывающей отсчеты по барабану с
длинами волн.
Описанный выше прибор называется, как уже говорилось выше, спектрометром. Если
окулярную часть заменить фотокамерой, то такой прибор носит название спектрографа.
Если вместо окуляра установит в фокальной плоскости линзы вторую щель, то прибор
1
позволит выделить из спектра отдельные узкие участки или линии, т.е. получать
монохроматический свет; такой прибор называется монохроматором. Если на выходе
монохроматора поставить фотоэлемент, то можно будет измерить интенсивность линий в
спектре; в этом случае прибор называется спектрофотометром. Если прибор допускает
только качественные визуальные наблюдения спектра, без всяких измерений, его
называют спектроскопом.
В данной работе используется один из двух типов приборов: УМ-2 (универсальный
монохроматор, модель 2 ) или СМ-2 (спектрограф-монохроматор, модель 2, выпуска
мастерских НИФИ ЛГУ). Это универсальные приборы, которые можно использовать и как
спектрографы и как монохроматоры.
II. Установка и освещение спектрометра.
Прежде, чем приступить к измерениям, необходимо правильно осветить прибор. Для
наблюдения слабых спектральных линий важно получить наибольшую возможную
освещенность в спектре. Для этого нужно так установить источник, чтобы использовать
для получения спектра возможно более широкий пучок. Максимальная возможная
ширина пучка определяется углом, под которым объектив коллиматора виден из щели
(угол w на рис. 1). Величина этого угла характеризует светосилу прибора. Обычно ее
выражают в виде отношения диаметра объектива к его фокусному расстоянию. Для
полного использования светосилы прибора источник света должен быть установлен на
таком расстоянии от щели, чтобы свет его полностью заполнял объектив коллиматора, т.е.
чтобы раствор конуса лучей от источника был не меньше, чем угол w (рис. 2).
Рис. 2
Очевидно, что это возможно только если источник света имеет достаточно большие
размеры. Чаще на практике исследуются спектры малых источников. В этом случае между
щелью и источником помещают линзу конденсор K (рис. 3).
Рис. 3
С помощью этой линзы изображение источника фокусируется на щель, чем
достигается максимальная освещенность щели. Положение конденсатора определяется
условием, что объектив коллиматора и конденсор должны быть видимы на щели под
одним и тем же углом w.

Ставить источник ближе к щели, чем показано на рис. 2 также не следует, так как лучи, не захватываемые
объективом, могут отражаться от внутренних стенок спектрометра и давать блики, мешающие
наблюдениям.
2
Очевидно, что коллиматор может быть хорошо заполнен светом, только если источник
и конденсор расположены строго на оптической оси коллиматора. Для этого нужно очень
тщательно отъюстировать приборы. Юстировка ведется в следующем порядке.
1. Установка конденсора и источника на оптической оси коллиматора.
Перед началом работы необходимо проверить, что оптическая скамья (рельс)
установлена параллельно оси коллиматора. Для этого источник света устанавливается
перед щелью коллиматора так, чтобы его изображение находилось в центре объектива
прибора. Изображение наблюдают, сняв окуляр и поместив глаз перед выходной трубой
прибора. Далее передвигают источник света на край оптической скамьи. Если
изображение источника осталось в центре объектива, то рельс установлен параллельно
оси коллиматора прибора. Если изображение сместилось в поперечном или вертикальном
направлении, то соответственно нужно изменить положение рельса (для УМ-2 – ослабив
винт, крепящий рельс, или изменить высоту незакрепленного конца, для СМ-2 – просто
передвигая рельс, который свободно лежит на столе) и проделать всю операцию сначала,
добиваясь параллельности оптической скамьи.
Конденсор и лампа, служащая источником света, укреплены на рейтерах, свободно
перемещающихся вдоль оптической оси скамьи. Конструкция рейтеров позволяет
смещать установленные на них приборы, как по высоте, так и в горизонтальном
направлении, поперек скамьи.
Для юстировки щель прибора закрывают круглой крышкой, в центре которой имеется
метка, указывающая положение оси коллиматора. Источник света ставят на дальний
конец скамьи, и с помощью конденсора получают на крышке резкое изображение
источника; перемещением источника или конденсора нетрудно добиться того, чтобы
изображение располагалось точно в центре крышки. Для проверки того, что прямая,
соединяющая центр крышки, оптический центр конденсора и источник, параллельна оси
коллиматора (или, что то же, оптической скамье), следует сдвинуть один из приборов
вдоль скамьи. Очевидно, что при правильном расположении приборов такое
передвижение не должно вызвать поперечного смещения изображения. Если же приборы
расположены неверно, то такое смещение будет наблюдаться. На рис. 4 показан такой
случай неправильной установки приборов.
Рис. 4
При перемещении
по скамье, т.е. вдоль направления оптической оси
коллиматора, (показано штрих-пунктиром) из положения A в положение B изображение
смещается в сторону от центра крышки. Из рисунка видно, что если передвинуть
источник так, чтобы изображение вновь оказалось в центре крышки, то его положение
будет ближе к правильному положению, чем раньше. Вновь перемещая конденсатор в
положение A, мы снова обнаружим смещение изображения, но теперь оно будет уже
меньше. Нетрудно убедиться, что теперь следует добиваться совпадения изображения с
конденсора

В нашем случае удобнее всего перемещать конденсор, так как он дает резкое изображение источника на
крышке при двух различных положениях (в одном случае получается увеличенное, а в другом уменьшенное
изображение). Естественно, что для юстировки удобнее пользоваться резким изображением, а не размытыми
световыми пятнами.
3
меткой на крышке перемещением конденсора. Повторяя эту операцию несколько раз
можно добиться полного совпадения центров конденсора и источника с оптической осью
коллиматора. (В математике этот метод называют методом последовательных
приближений). После этого следует снять крышку со щели и установить конденсор так,
чтобы получить на щели резкое увеличенное изображение источника.
Передвигая рейтер конденсора вдоль скамьи, следует каждый раз закреплять его
зажимным винтом, чтобы его положение было точно определенным.
2. Заполнение коллиматора.
Для проверки заполнения оптики прибора светом следует снять окуляр и посмотреть
внутрь спектрометра, поместив глаз приблизительно в главном фокусе объектива
трубы. При этом в центре объектива будет видно приблизительно круглое, равномерно
освещенное световое пятно – освещенный участок объектива. Цвет этого пятна будет
определяться тем, на месте какой линии спектра оказался ваш глаз. Если конденсор
и источник установлены на конце скамьи, как указано выше, то это пятно не будет
заполнять весь объектив. Тогда надо придвинуть конденсор несколько ближе к щели,
соответственно передвинуть источник так, чтобы вновь получить на щели резкое
изображение источника, и опять проверить заполнение объектива. Так нужно
поступать до тех пор, пока объектив целиком не заполнится светом. Ближе придвигать
конденсор не нужно – это не увеличит освещенности линий, но может создать блики.
Найденное положение конденсора является окончательным. При дальнейшей работе
вам придется заменять один источник другим и вновь устанавливать его на оптической
оси прибора и на нужном расстоянии от конденсора, но конденсор при этом трогать не
следует. При уже установленном конденсоре установка источника не представляет
труда.
При работе с невидимым (инфракрасным или ультрафиолетовым) излучением нужное
положение конденсора находят расчетом. Введите сами, пользуясь рисунком 3,
формулы для расстояния A и d от конденсора до щели и до источника. Проверьте по
этой формуле правильность выполненной вами установки.
Для приборов СМ-2 фокусное расстояние коллиматора F1 = 13,5 см, диаметр D1 = 1,5
см, для УМ-2 фокусное расстояние коллиматора F2 = 28 см, диаметр D2 = 4,6 см. Ф
фокусное расстояние конденсора и его диаметр определите сами.
3. Фокусировка трубы.
Всякая зрительная труба должна иметь двойную фокусировку: окуляр должен
перемещаться относительно указателя (фокусировка по глазам наблюдателя), а
указатель должен перемещаться относительно объектива, чтобы можно было
совместить его плоскость с плоскостью изображения.
В приборе СМ-2 указатель смонтирован в оправе (7 на рис. 5), внутри которой
свободно перемещается окуляр 8, а оправа свободно может двигаться на салазках и
закрепляться в нужном положении зажимным винтом 6; сами салазки легко
отделяются от прибора – для этого достаточно отпустить винт 5.
Для точной фокусировки на линии спектра перемещение оправы по салазкам
является слишком грубым. Точная фокусировка производится путем перемещения
объектива с помощью кремальеры (ручка 4).
Фокусировку ведут в следующем порядке. Сначала фокусируют окуляр на
указатель (острие, укрепленное в оправе окуляра). Затем устанавливают окуляр на
салазки и закрепляют в положении, при котором резко видна какая-либо линия в
средней части спектра; барабанчик объектива должен при этом находиться в среднем

Подумайте, почему вы в этом случае не видите спектра.
4
положении. Далее вращением этого барабанчика добиваются окончательной
фокусировки на выбранную линию. При этом следует добиваться не просто
максимальной резкости, а отсутствия параллакса, т.е. взаимного смещения указателя и
линии при движении глаза поперек окуляра. Отсутствие параллакса будет означать,
что указатель и линия спектра находятся точно в одной плоскости. После этого, если
нужно, дополнительно уточняют положение окуляра. Поскольку фокусное расстояние
объектива зависит от длины волны (хроматическая аберрация), необходимо заново
фокусировать прибор для каждой линии спектра. При этом следует только перемещать
объектив, не трогая окуляр, чтобы не сместить указатель.
В приборе УМ-2 указатель закреплен в фокальной плоскости зрительной трубы.
Точная фокусировка линий спектра производится перемещением объектива
коллиматора с помощью маховичка 17 (см. описание УМ-2).
При фокусировке щель коллиматора должна быть достаточно узкой.
4. Установка ширины щели.
Ширина щели регулируется м помощью микрометрического винта (одно деление
шкалы соответствует изменению ширины щели на 0, 01 мм). Предварительно следует
установить положение винта, при котором щель полностью закрыта. Для этого нужно,
медленно вращая винт, закрывать щель, пока линии спектра полностью не исчезнут.
Далее устанавливают такую ширину щели, чтобы линии были максимально узкими, но
достаточно яркими для наблюдения (так называемая «нормальная» ширина щели).
Слишком широкая щель делает линии широкими, но не увеличивает их освещенности:
большой световой поток, проходящий через щель, распределяется на большую
площадь линии. При слишком узкой щели, световой поток делается очень малым, а
линии уже не могут стать уже определенной конечной ширины, определяемой
дефектами оптики, а также дифракцией световых волн.
Задача работы и экспериментальная установка.
Задачей настоящей работы является градуировка спектрометра и измерение длин волн
спектра какого-либо газа. Источником с известными длинами волн служит ртутная
лампа. (Лампу включает лаборант).
Длины волн спектра ртути приведены в таблице.
Для градуировки нужно поочередно совмещать каждую линию с указателем, уточняя
каждый раз фокусировку, и отсчитывать углы поворота призмы по барабану. По этим
данным строится график – градуировочная кривая спектрометра.
После того, как спектрометр отградуирован, ртутная лампа заменяется лампой,
наполненной газом. (Смену лампы производит лаборант). Следует измерить длины
волн всех линий спектра лампы, отмечая их цвет и интенсивность («сильная»,
«средняя», «слабая»). По этим данным нарисовать спектр газа. Сравнить полученные
длины волн с табличными и определить, каким газом наполнена лампа.
Таблицы линий для газов( водород, гелий, криптон, неон) и ртути приведены в конце
описания.
Порядок работы.
1. Ознакомиться с прибором по описанию.
2. Установить лампу и конденсор в положение, обеспечивающее заполнение
коллиматора светом. Сравнить их положение с теоретическим расчетом. Показать
результаты юстировки преподавателю.
3. Установить и сфокусировать окуляр. Определить и записать нулевое положение
микрометрического винта щели. Установить и записать «нормальную» ширину
щели (цена деления барабана микрометрического винта 0,01 мм). Результат
юстировки показать преподавателю.
5
4. Отградуировать спектрометр.
5. Заменить (с помощью лаборанта) ртутную лампу на лампу, наполненную газом.
Определить длины волн и интенсивность линий спектра газа. Сравнив полученные
данные с табличными, определить газ, наполняющий лампу. Нарисовать спектр,
отмечая цвет линий.
Содержание отчета.
Отчет должен содержать:
1. Оптическую схему установки.
2. Результаты юстировки: расстояния между щелью, конденсором и источником и
теоретический расчет этих расстояний (нулевое положение винта щели и
«нормальную» ширину щели).
3. Записи отсчетов положения линий и их характеристику по цвету и интенсивности.
4. Градуировочный график спектрометра.
5. Результаты определения длин волн линий спектра газа, сравненные с табличными
данными, и рисунок этого спектра.
При выполнении работы получите у лаборанта описание прибора и таблицы линий
газов и ртути.
ОПИСАНИЕ СПЕКТРОМЕТРОВ УМ-2 И СМ-2.
Универсальные монохроматоры УМ-2 и СМ-2 предназначены для различных
спектральных исследований и решения ряда аналитических задач.
Монохроматоры УМ-2 и СМ-2 выделяют монохроматические участки спектра в
видимой и ближней инфракрасной областях.
Оптическая схема и принцип действия одинаковы для обоих типов приборов.
Оптическая схема и принцип действия.
Оптическая схема показана на рис. 1.
Свет через входную щель попадает на объектив коллиматора и параллельным пучком
проходит диспергирующую призму. Под углом 90° к падающему пучку света
помещается выходная труба монохроматора.
Рис. 1
6
1 – источник света, 2 – линза, 3 – входная щель, 4 – объектив коллиматора, 5 –
диспергирующая призма, 6 – объектив зрительной трубы, 7 – указатель в фокальной
плоскости зрительной трубы, 8 – окуляр.
Поворачивая призменный столик на различные углы относительно падающего пучка
света, совмещают с указателем свет различной длины волны, проходящий через
призму в минимуме отклонений.
Конструкция монохроматора УМ-2.
Основная часть монохроматора – коллиматор 9 (рис. 2), призменный столик с
поворотным механизмом и выходная труба 2.
Рис. 2
КОЛЛИМАТОР. Коллиматор крепится в обойме 8 на плате 16, которая соединена
болтами с основанием прибора. В качестве входной щели коллиматора применена
стандартная симметричная щель 10, ширина раскрытия щели – от 0 до 4 мм, высота
15 мм, цена деления на барабанчике 14 равна 0,01 мм. На входную щель надета
насадка 11 с защитным стеклом. В насадку входит фигурная диафрагма 39 с помощью
большого выреза диафрагмы щель ограничивают по высоте; высота щели
определяется по шкале с ценой деления 1,2 мм. Шкала вынесена на правой верхней
части диафрагмы; отсчет снимается против края корпуса щели.
Ножи входной щели установлены в фокальной плоскости объектива коллиматора.
Ввиду того, что фокусное расстояние объектива для каждой длины волны изменяется,
предусмотрена возможность фокусировки объектива. В обойме имеется окно с
миллиметровой шкалой 6 и нониусом 7, по которым определяется положение
объектива коллиматора. Фокусировочное движение объектива производится
маховичком 17.
Шкала фокусировки объектива коллиматора освещается лампочкой, закрытой
колпачком 5. Для удобства работы выключатель 33 непосредственно установлен на
приборе.
В трубе коллиматора, между щелью и объективом, помещен затвор, с помощью
которого можно прекратить доступ света в прибор. Движением затвора управляют с
помощью рукоятки 15.
7
ПРИЗМЕННЫЙ СТОЛИК С ПОВОРОТНЫМ МЕХАНИЗМОМ. Столик 3 с призмой 4
установлен на нижнем столике с рычагом, получающим движение от
микрометрического винта 18 поворотного механизма. Ось вращения механизма
собрана на микроподшипниках, поэтому призменный столик перемещается легко и
плавно.
На барабане 20 длин волн поворотного механизма нанесены относительные деления –
градусы. Отсчет считается против индекса 21, скользящего по спиральной канавке. Во
время работы шкала и индекс освещаются лампочкой 23, которая питается через
трансформатор (напряжение 3,5 В).
ВЫХОДНАЯ ТРУБА. Лучи света, пройдя диспергирующую призму, попадают в
объектив выходной трубы монохроматора, который собирает их в фокальной
плоскости.
В фокальной плоскости окуляра зрительной трубы имеется указатель с головкой 27,
освещаемый лампочкой через оконные светофильтры в револьверной оправе 1; т.о.
при работе в любой области спектра указатель может быть освещен светом той же
длины волны. Для регулировки освещения указателя на приборе установлен реостат 30
с выключателем 32.
Конструкция монохроматора СМ-2.
Конструкция этого прибора в основных чертах подобна конструкции прибора УМ-2.
Внешний вид спектрографа СМ-2 приведен на рис. 3.
Рис. 3
1 – щель коллиматора, 2– микрометрический винт щели, 3 – барабан винта призмы, 4 –
барабан перемещения объектива трубы, 5 – зажимной винт салазок окуляра, 6 –
зажимной винт оправы окуляра, 7 – оправа окуляра, 8 – окуляр.
8
Таблицы линий
РТУТЬ
Красная 1
Красная 2
Красная 3
Красная 4
Желтая 1
Желтая 2
Зеленая
Голубая
Синяя
Фиолетовая 1
Фиолетовая 2
7082 А
6907 А
6234 А
6123 А
5791 А
5770 А
5461 А
4916 А
4358 А
4078 А
4047 А
Ne
7032,41
6929,47
6598,95
6506,53
6402,24
6382,99
6334,43
6266,50
6217,28
6163,59
6143,06
6074,34
6030,00
1000
1000
1000
1000
2000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
5881,90
5852,49
5400,56
5341,09
4957,03
4884,92
4827,34
4752,73
4715,34
4712,00
4708,85
4704,40
4537,75
1000
2000
2000
1000
1000
1000
1000
1000
1500
1000
1200
1500
1000
He
7065,71
6678,15
6560,00
5875,97
5875,62
1000
100
100
3000
1000
5015,68
4685,75
4471,48
3888,65
100
300
400
4582,85
4577,20
4556,61
4523,14
4502,35
4489,88
300
800
200
400
600
400
Kr
6456,29
6420,18
6992,22
5870,91
5690,35
5681,89
200
300
200
3000
200
400
9
5570,28
5562,22
5468,17
5333,41
5308,66
5208,32
5143,05
5125,73
5086,52
5022,40
4945,59
4846,60
4832,07
4825,18
4811,76
4765,74
4762,43
4739,00
4694,44
4680,.41
4658,87
4633,88
4619,15
4615,28
2000
500
200
500
200
500
600
400
250
200
300
700
800
300
300
1000
300
3000
200
500
2000
800
1000
500
4475,00
4463,68
4453,91
4436,81
4431,67
4399,96
4386,54
4376,12
4369,69
4362,64
4355,47
4319,57
4318,55
4317,81
4300,49
4292,92
4273,97
4145,12
4097,72
4088,33
4065,11
4057,01
3920,14
3741,69
800
800
600
600
500
200
300
800
200
500
3000
1000
400
500
200
600
1000
250
250
500
300
300
200
200
H
6562,85
6562,73
4861,33
4340,47
4101,74
2000
1000
500
200
100
Интенсивность дана в относительных единицах, причем у каждого из указанных
элементов шкала своя: в ней интенсивность наиболее «ярких» линий принята за 1000
ед.
10