лабораторный практикум. Практикум волгоград 2014 Печатается по решению редакционноиздательского совета
 Скачать 5.21 Mb.
|
|
ИЗУЧЕНИЕ ПРИЗМЕННОГО МОНОХРОМАТОРА ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомление с принципом действия и работой призменного спектрального прибора - монохроматора УМ-2, построение градуировочного графика монохроматора и определение его дисперсионных характеристик. ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: ртутная лампа, конденсор, монохроматор УМ-2, оптическая скамья, линейка. 1. Основные свойства призменных спектральных приборов [9, 11] Систему призм в общем случае можно представить в виде некоторого пространства, заполненного диэлектриками разных сортов с резкими границами раздела между ними, на которых и происходит преломление лучей. Рассмотрим на простейшем примере характеристики призменных систем. Угловой размер пучка, проходящего через поверхность  раздела двух диэлектриков с показателями преломления  и  (см. рис. 5а) изменяется. Меняется и сечение пучка: сечение падающего пучка составляет преломленного -  Назовем отношение  (17 )угловым увеличением поверхности . Продифференцировав правую и левую части закона преломления  , и, использовав величины сечений  и  , получим для углового увеличения поверхности выражение: (18) Рис.5. К нахождению углового увеличения а) поверхности; б) призмы в воздухе Угловое увеличение призмы, составленной из двух поверхностей a и  , находящихся в воздухе (см. рис.5б) найдём, перемножив увеличение каждой из граней: , (19)где  и  – сечения пучка на входе и на выходе призмы.Увеличение призм влияет на ширину  изображения спектральных линий: , (20)где  и  – фокусные расстояния объективов прибора;  – угол между плоскостью спектра и осью камеры (рис.1). Так как увеличение призмы зависит от длины волны вследствие дисперсии показателя преломления материала призмы, то и ширина изображения спектральных линий различна в различных областях спектра. Это особенно заметно в многопризменных приборах.Угловую дисперсию призмы найдём из соотношения:  , (21)где a – преломляющий угол призмы,  и  – углы преломления на её поверхностях.Разрешающая способность призмы выражается формулой:  . (22)В случае минимального угла отклонения призмы (это соответствует симметричному ходу лучей через призму) разрешающую способность можно представить в другом виде:  (23)где b– основание, или база призмы. Последнее выражение удобнее для подсчёта разрешающей способности призмы, так как значение дисперсии оптических материалов можно найти в таблицах, а величина b легко измеряется. Разрешающая способность призм может доходить до 105. 2. Устройство монохроматора [9] Диспергирующим элементом монохроматора УМ-2 является призма Аббе, составленная из двух 30° призм и одной 45°, служащей для отклонения луча на 90°. Поскольку 30° призмы отклоняют луч в противоположных направлениях, для луча любой длины волны, идущей в минимуме отклонения, общее отклонение луча равно 90°. Согласованным поворотом всех трёх призм можно осуществить сканирование спектра. Оптическая схема монохроматора представлена на рис.6. Свет от источника (1) проходит через конденсор (2) и освещает щель (3), которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора (4). Из объектива параллельный коллимированный пучок лучей направляется на систему призм (5). Если источник испускает немонохроматический свет, то вследствие того, что излучение различных длин волн по разному преломляются в призмах из-за дисперсии показателя преломления, произойдет разложение света на монохроматические составляющие, и из системы призм выйдут параллельные пучки лучей, соответствующие волнам определенной длины. Эти параллельные пучки соберутся в фокальной плоскости (7) объектива (6) зрительной трубы в виде спектрального изображения щели (3).  Рис.6. Оптическая схема монохроматора Если источником света служит лампа низкого давления, содержащая инертный газ в атомарном состоянии, то спектральное изображение щели (3) будет иметь вид цветных полос, соответствующих линейчатому спектру газа лампы. Спектр может наблюдаться глазом через окуляр (8). 3. Описание установки Наблюдение спектральных линий и измерение их положения производится на монохроматоре УМ-2 со стеклянной оптикой. Внешний вид экспериментальной установки представлен на рис.7. Монохроматор укреплен на оптической скамье, где также размещены источник света и конденсор, закрепленные в штативах. Объектив коллиматора, система диспергирующих призм, а также объектив зрительной трубы находятся внутри корпуса прибора. Входная щель регулируется по ширине микрометрическим винтом.  Рис.7. Внешний вид экспериментальной установки Ширина щели коллиматора в спектральных приборах должна соответствовать нормальной ширине. В данной работе нормальная ширина щели устанавливается соответственно зеленой линии ртути (l = 546,1 нм). Объектив коллиматора должен быть установлен таким образом, чтобы его щель находилась в фокусе объектива. На боковой стороне корпуса прибора расположена шкала с нониусом, показывающая положение объектива коллиматора. Шкала освещается лампочкой. При правильной установки объектива по зеленой линии ртути отсчет по шкале должен быть 11,0. В фокальной плоскости объектива и зрительной трубы расположена выходная щель. Для установки положения спектральной линии в плоскости выходной щели имеется индекс в виде треугольника. Индекс наблюдается через окуляр и освещается лампочкой. Вывод спектральной линии на индекс производится поворотом диспергирующих призм при помощи барабана. Непосредственно под лампочкой расположен диск с набором светофильтров. Поворачивая диск, можно осветить индекс желтым, красным, зеленым, голубым, синим или фиолетовым цветом. Окуляр может устанавливаться по глазу наблюдателя на резкость изображения индекса и спектральных линий путем вращения. Отсчетным устройством прибора является барабан, который соединен с системой диспергирующих призм. При повороте барабана на одно деление ( 2о ) система призм поворачиваемся на 20’’. Монохроматор УМ-2 является симметричной системой: Фокусное расстояние его коллиматора равно фокусному расстоянию зрительной трубы ( 280 мм ). При работе с монохроматором в качестве источников света применяются лампы накаливания, дающие сплошной спектр, а также спектральные лампы – газоразрядные трубки низкого давления, наполненные инертными газами - гелием, неоном и др. Трубки имеют в средней части капилляр, где при пропускании разряда происходит наиболее интенсивное свечение, дающее линейчатый спектр. Градуировка шкалы барабана монохроматора производится для того, чтобы выразить показания шкалы барабана в длинах волн. Для градуировки пользуются ртутной лампой, спектр которой состоит из большого числа хорошо изученных линий. Эта лампа - мощный источник света. Во время работы в лампе развивается большое давление, поэтому обращаться с ней следует осторожно. Нормальная работа ртутной лампы обеспечивается пультом питания (рис.7.). От этого же пульта подается напряжение питания 3,5В на лампочки освещения шкал прибора. На передней панели пульта имеются выключатели сети и лампы накаливания, а также пусковая кнопка и выключатель ртутной лампы. 4. Порядок выполнения работы 4.1. Градуировка шкалы барабана монохроматора УМ-2 4.1.1. По формуле (8) рассчитать нормальную ширину щели коллиматора и определить правильность ее установки для зеленой линии ртути. 4.1.2. Установить на оптической скамье ртутную лампу так, чтобы оптические оси входной трубы монохроматора и лампы совпадали. Включить ртутную лампу. 4.1.3. С помощью конденсорной линзы получить изображение лампы в центре колпачка трубы, затем снять колпачок. 4.1.4. Поворачивая барабан, просмотреть через окуляр весь спектр от фиолетовых до красных линий. При правильной юстировке системы все линии должны быть хорошо видны. 4.1.5. Последовательно совмещая с индексом линии ртути от красных до фиолетовых, снять отсчёты по барабану монохроматора, отмечая цвет линии и ее длину волны (пользуясь атласом ртутного спектра). Затем повторить измерения в обратном порядке от фиолетовых до красных линий. 4.1.6. Повторить п.4.1.5 не менее трёх раз. 4.1.7. Провести статистическую обработку результатов с доверительной вероятностью 90%. 4.1.8. Построить градуировочный график с учетом ошибки измерений каждого отсчета. По оси ординат отложить углы отсчитанные по барабану, по оси абсцисс - соответствующие длины волн. Масштаб следует выбирать так, чтобы график был достаточно большой и позволял четко определять длину волны с точностью до 1нм. Градуировочный график должен представлять собой плавную кривую и распространятся на всю видимую часть спектра (от 400 до 700 нм). 4.2. Определение дисперсии монохроматора УМ-2 Как сказано ранее, показатель преломления имеет различное значение для различных длин волн; дисперсия прибора будет также различной для разных участков спектра. В данной работе определяется линейная дисперсия для следующих участков спектра: 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 нм. 4.2.1. Вычислить величины: угловую и линейную диперсию прибора по формулам. Величина dl во всех случаях берется по указанию преподавателя, соответствующее значение dj берется по градуировочному графику. При этом следует учесть указанную выше цену деления барабана: 2о по барабану соответствует 20’’ поворота призмы. Для вычисления линейной дисперсии необходимо значение угловой дисперсии перевести в рад./нм и умножить на фокусное расстояние зрительной трубы f. 4.2.2. По полученным данным построить график зависимости линейной дисперсии от длины волны. 5. Контрольные вопросы и задания Какие функции выполняют диспергирующий элемент, коллиматорный и камерный объективы спектрального прибора? Какие причины вызывают уширение наблюдаемой спектральной линии при регистрации прибором монохроматического излучения? Что называется аппаратной функцией спектрального прибора? Какой вид имеют аппаратные функции для призменного и дифракционного спектрографов с узкой входной щелью; для интерферометра Фабри -Перо? Как связан регистрируемый прибором спектр с истинным спектральным распределением исследуемого излучения? От каких величин, характеризующих призму, зависит разрешающая способность призменного спектрографа? Почему разрешающая способность максимальна при симметричной установке призмы? Объясните использование ртутной лампы в данной работе. Можно ли ее заменить на другой прибор? (Например, лазер с перестраиваемой частотой. Что лучше?) Улучшится ли разрешающая способность спектрального прибора, если в качестве диспергирующего элемента применить дифракционную решетку? СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учеб. пособие для вузов.– М.: Высш.шк., 1995.– 463 с. Матвеев А.Н. Оптика: Учеб. пособие для физ. спец. вузов.– М.: Высш.шк., 1985.– 351 с. Бутиков Е.И. Оптика: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Н.И.Калитеевского.– М.: Высш.шк., 1986.– 512 с. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник.– М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998.– 656 с. Ландсберг Г.С. Оптика.– М.: Наука, 1976.– 928 с. Сивухин Д.В. Оптика: Учеб. пособие.– М.: Наука, 1985.– 752 с. Руководство к лабораторным занятиям по физике / Под ред. Л.Л.Гольдина.– М.: Наука, 1973.– 688 с. Физический практикум / Под ред. В.И.Ивероновой.– М.: Физматгиз, 1962.– 956 с. Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов / Ахматов А.С., Андреевский В.М., Кулаков А.И. и др.; Под ред. А.С.Ахматова.– М.: Высш.шк., 1980.– 360 с. Специальный физический практикум / Под ред. А.А.Харламова.– М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977.– ч.3.– 382 с. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. М.: Изд-во МГУ, 1986.– 352 с. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.Л. Основы оптики: Учебное пособие. – СПб.: Питер, 2006.– 336 с. СОДЕРЖАНИЕ
Аникеев Борис Васильевич Храмов Владимир Николаевич Куценко Светлана Анатольевна Марусин Николай Владимирович Конькова Елена Петровна ОПТИКА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ |