Работа № 11. Градуировка монохроматора
Цель работы: ознакомиться с устройством монохроматора, выполнить его градуировку, изучить особенности линейчатых и сплошных спектров на примере спектров излучения паров ртути и инертных газов.
Оборудование: монохроматор, лампа дневного света (ртутная), газоразрядные трубки,
Краткая теория
Как известно, вещества в твёрдом состоянии испускают излучение со сплошным спектром, одинаковым для всех тел. В разреженных газах или в парах металлов взаимодействие между отдельными атомами незначительно. Поэтому спектры таких газов состоят из отдельных спектральных линий различных частот, строго определённых для каждого химического элемента. Такой спектр называется линейчатым. Таким образом, по линейчатому спектру можно определить, какой элемент присутствует в газе.
Изучение атомных спектров послужило ключом к познанию строения атомов. Было замечено, что линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы, которые получили название серий. Некоторые линии (или полностью серии линий) лежат в видимой области спектра, но бóльшая часть находится в инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра. Проще всего пронаблюдать эти закономерности на примере простейшего атома – атома водорода.
Длину волны l любой из линий, излучаемых водородом, можно представить так называемой сериальной формулой:
 ,
| (11.1) |
где R = 1,097×107 м–1 – постоянная Ридберга; n = 1, 2, 3, 4, 5 – номер серии; m и n – целые числа. При заданном n число m принимает значения, начиная с n + 1.
|
|
|
Серия линий номером n = 1 (серия Лаймана) соответствует ультрафиолетовому излучению; с номером n = 2 (серия Бальмера) – видимому излучению. Остальные серии линий спектра водорода лежат в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн.
Объяснение закономерностей расположения линий в водородном спектре даёт теория атома водорода, предложенная Н. Бором. Он сформулировал законы движения электрона в атоме и характер излучения атома в виде постулатов, которые позволили объяснить экспериментальные факты.
Первый постулат. Электрон в атоме может двигаться только по строго определённым – стационарным орбитам, находясь на которых, он не излучает энергию. Радиус стационарных орбит определяется из следующего условия: момент импульса электрона кратен постоянной Планка, делённой на 2p:
 ; (n = 1, 2, 3, …).
| (11.2) |
Второй постулат. Излучение испускается или поглощается при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую в виде электромагнитного кванта, энергия которого равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается переход электрона:
|
|
|
 .
| (11.3) |
С другой стороны, известно, что энергия кванта электромагнитного излучения прямо пропорциональна частоте излучения:
| Екв = hn. | (11.4) |
На рис. 11.1 схематически показаны стационарные орбиты и переходы электрона, которые связаны с появлением видимых линий в спектре атома водорода. Физический смысл чисел n и m легко понять с помощью формулы (11.3): это номера орбит, между которыми происходит переход электрона. Несмотря на удачное объяснение спектральных закономерностей водородоподобных атомов, теория Бора не может объяснить спектры излучения более сложных атомов и различную интенсивность спектральных линий. Эти трудности были преодолены квантовой теорией, показавшей неприменимость классических представлений к микрообъектам.
Описание установки
Ход лучей в монохроматоре изображён на рис. 11.2. Основной частью монохроматора является призма 4, разлагающая свет в спектр. Свет на призму попадает от источника света 1 через коллиматорную трубку, состоящую из щели 2 и конденсора (системы линз) 3, с помощью которых получают узкий пучок параллельных лучей. После преломления в призме лучи собираются линзой 5 в её фокальной плоскости 6, где получается изображение спектра.
|
|
|
Разложение белого света при прохождении его через призму –проявление дисперсии света. Это явление, экспериментально открытое И. Ньютоном в 1672 году, обусловлено зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (частоты) света. Причиной явления дисперсии является различие скоростей распространения лучей света с различной длиной волны в веществе.
 |
Различают нормальную и аномальную дисперсию. При нормальной дисперсии, чем больше частота световой волны, тем меньше скорость волны в среде и больше показатель преломления. Такая дисперсия наблюдается вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом. В некоторых веществах наблюдается аномальная дисперсия, при которой фиолетовые лучи преломляются меньше, чем красные. Аномальная дисперсия наблюдается у всех газов на частотах вблизи линий поглощения. При нормальной дисперсии производные dn / dν> 0, а при аномальной дисперсии dn / dν < 0, где n – показатель преломления среды, ν – частота света. (Подумайте, какие знаки будут иметь производные dn / dl)!
Угол отклонения лучей, падающих под углом α1 на призму с углом β у её основания, и выходящих из призмы под углом α2, определяется формулой:
|
|
|
 .
| (11.5) |
При малом угле падения входящего луча (a1 ® 0) для угла его отклонения получается более простая формула:
 ,
| (11.3) |
где n – относительный показатель преломления материала призмы.
У света красного цвета скорость распространения в стекле максимальна, а показатель преломления – минимальный, а для света фиолетового цвета скорость распространения в стекле минимальна, а показатель преломления – максимальный. Поэтому для света, прошедшего через призму, максимальное отклонение наблюдается для фиолетового света, а минимальное – для красного.
На рис. 11.3 изображён общий вид монохроматора. Для регулировки ширины входной щели 2 имеется винт 4. Рукоятка 5 с надписью «закрыто – открыто» управляет движением затвора. Весь спектр не попадает в поле зрения прибора, и, поворачивая призму, можно наблюдать только разные его части. Поворот призмы осуществляется барабаном 6, на котором нанесены деления – градусы, отсчёт которых делается по указателю 7. Чтобы определить длину волны, спектральную линию совмещают с вершиной треугольника, наблюдаемого на фоне спектра в поле зрения окуляра 8.
 |
Для определения длины волны, соответствующей выбранной линии в спектре, необходимо соотнести значения на шкале барабана N с длинами волн l. Это можно сделать, исследуя излучение с известным спектром. Как правило, полученные данные представляются в виде графика зависимости N = f (l), который называется градуировочным графиком. Так как значения N на шкале барабана соотносятся с отклонением лучей света при прохождении призмы (повороту барабана 6 на одно деление соответствует поворот призмы на 20˝), производная dN / dl, характеризующая наклон градуировочного графика, позволяет судить о виде и величине угловой дисперсии, наблюдаемой при разложении света в спектр.
Задание 1. Градуировка монохроматора
Для градуировки монохроматора нужно установить, наблюдая спектр с линиями известной длины волны, какому делению N барабана какая длина волны l соответствует. Для этого используется лампа дневного света (ртутная лампа), для спектральных линий которой длины волн указаны в табл. 11.1.
Прежде чем приступить к градуировке, внимательно рассмотрите спектр лампы. Помните, что в лампе светятся как пары ртути, возбуждённые электрическим газовым разрядом, так и твёрдое вещество – люминофор, нанесённый на стенки лампы. (Опишите наблюдаемый спектр в отчёте и дайте объяснения его характерныхособенностей). Затем приступайте к градуировке прибора. Для этого последовательно устанавливайте в поле зрения окуляра представленные в табл. 11.1 спектральные линии так, чтобы середина линии приходилась точно на острие указателя, записывая соответствующие деления N1 барабана по указателю 7 (см. рис. 11.3). Каждую линию следует устанавливать 2 раза (первый раз – перемещая спектр последовательно от оранжевой линии к фиолетовой, второй раз – возвращаясь от фиолетовой линии обратно к оранжевой).
Таблица 11.1
| Линии спектра ртути | l, нм | Деления шкалы барабана
 Мы поможем в написании ваших работ! | ||||