4. ИЗУЧЕНИЕ , ГРАДУИРОВКА  МОНОХРОМАТОРА  УМ-2  И

СНЯТИЕ  СПЕКТРА  ИЗЛУЧЕНИЯ  ЛАМПЫ  НАКАЛИВАНИЯ

Краткая теория

Выполнение работы

Контрольные вопросы

Литература

 

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.

Краткая теория. Дисперсией света называется зависимость диэлектрической проницаемости (показателя преломления) среды от частоты электромагнитных (световых) волн.  Она возникает в результате вынужденных колебаний оптических электронов  под действием переменного поля электромагнитной волны, так как на излучение и поглощение света в оптической области спектра оказывают влияние практически одни только оптические электроны. Дисперсия называется нормальной, если с ростом длины волны (уменьшением частоты) показатель преломления уменьшается. Дисперсия  называется аномальной, если с ростом длины волны показатель преломления возрастает.

Классическую электронную теорию дисперсии разработал Г.А.Лорентц, основываясь на классических представлениях о движении. При этом не учитывается взаимодействие молекул и атомов между собой. В классической теории оптический электрон рассматривается как затухающий гармонический осциллятор, колебания которого в поле световой волны описываются уравнением

                               (1)

где m – масса, е – заряд электрона, w0 – собственная частота колебаний осциллятора, g - коэффициент затухания. Магнитная сила очень мала, так как скорость электрона пренебрежимо мала по сравнению со скоростью света. Если световое поле представляется плоской волной, то

                                                   (2)

Тогда решение уравнения (1) имеет вид

                                                    (3)

где r0 – амплитуда колебаний осциллятора. Подставив (3) в (1), находим:

.                               (4)

Атом в электрическом поле приобретает дипольный момент p = er. Если N – число атомов в единице объема, то поляризованность (вектор поляризации) равна

                                             (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.

                                            

 

Выполнение работы

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.

3. Включить тумблер  ²сеть², а затем тумблер  ²лампа ДРШ².

4. Нажатием кнопки  ²пуск² 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.

Тщательно построить график зависимости длины волны    от показаний барабана N. От точности  построения графика зависит точность результатов всех спектральных исследований на монохроматоре.

Упражнение 2. Определение длин волн спектральных линий криптона

       

Таблица 1. Наиболее интенсивные спектральные линии ртути

Длина волны ,

Показания барабана

Nср

N1

N2

N3

6716,17

6234,00

6120,27

6072,64

5790,66

5769,60

5460,72

4960,00

4916,00

4358,34

4339,26

4108,07

4077,50

4047,77

 

 

 

 

 

Для выполнения этого упражнения необходимо:

1. Установить вместо ртутной лампы газоразрядную лампу.

2. Включить его в электрическую сеть.

3. Путем вращения барабана монохроматора добиться появления в выходной щели линий излучения криптоновой лампы.

4. По данным показаний барабана, при которых имеет место наблюдение спектральных линий лампы, определить, пользуясь градуировочной кривой  Nср = f(),  значения длин волн спектральных линий криптоновой лампы - криптона.

Упражнение 3. Снятие спектра излучения лампы накаливания

В задачу данного упражнения входит снятие спектра излучения лампы накаливания, входящей в комплект монохроматора УМ-2.

         Для снятия спектра излучения нужно сфокусировать на входную щель  монохроматора соответствующее излучение. Установить у выходной щели приемник излучения – фотосопротивление, последовательно включенное с источником постоянного тока и микроамперметром. Установить ширину входной и выходной щелей   d 1 мм. Вращая барабан монохроматора, направить на фотосопротивление излучение разных длин волн и записать показания микроамперметра Iф. Разделить величину фототока Iф на соответствующее значение коэффициента чувствительности  фотосопротивления . Значения для некоторых длин волн света даны в таблице 2. Значения для длин волн, неуказанных в таблице, находят, построив график зависимости = f().  Таблица 2.

п/п

№

показания

барабана, N

,

Iф

 =

 

 

  5000

 0,750

 

 

 

 

  5120

 2,000

 

 

 

 

  5200

  1,327

 

 

 

 

  5300

  0,476

 

 

 

 

  5400

  0,467

 

 

 

 

  5500

  0,327

 

 

 

 

  5700

  0,247

 

 

 

 

  6200

  0,183

 

 

 

 

  6300

  0,134

 

 

 

По полученным данным построить спектр излучения лампы накаливания, откладывая на ось абсцисс значения длин волн , а на оси ординат величины .

Контрольные вопросы

1. Явление дисперсии.  Объясните зависимость показателя преломления света от частоты света. Используя классическую электронную теорию, получите уравнение дисперсии.

2. Спектры излучения, разновидности спектров излучения и их объяснение.

2. Призменные спектральные приборы и их основные характеристики.

Литература

1. Ландсберг  Г.С. Оптика. Гл. ХIV    94, гл. ХХVIII    §§154-156, 197, Гл. ХХХ    §§ 203,213,214, 1976.

2. Матвеев А.Н. Оптика. §§ 9, 15, 1985.

3. Годжаев  Н.М. Оптика.     Гл. ХV  § 8, 1977.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. –М: Физматлит. 2005,  § 84, с. 548.

5. Бутиков Е.Н. Оптика. Учебное пособие. - Санкт-Петербург. Москва. Краснодар: Лань, 2012., § 2.3.

 6. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. Изд. МГУ, 2004, с. 488.