зачем в спектроскопе призма объектив окуляр

УСТРОЙСТВО СПЕКТРОСКОПА

Спектроскоп имеет следующие основные части (рис 1):

1. Коллиматор К, представляющий собой трубку с объективом О₁ на одном конце и со щелью Щ на другом. Щель коллиматора освещается лампой накаливания. Т.к. щель находится в фокусе объектива О₁, то лучи света, выйдя из коллиматора, падают на призму П параллельным пучком.

2. П – призма, в которой происходит преломление и разложение пучка лучей по их длине волны.

3. Зрительная труба Т состоит из объектива О₂ и окуляра 0_к. Объектив О₂ служит для того, чтобы фокусировать вышедшие из призмы П параллельные цветные лучи в своей фокальной плоскости. Окуляр О_к представляет собой лупу, через которую рассматривается изображение, даваемое объективом О₂.

Рис. 1. Устройство спектроскопа и образование спектра.

Преломившись в объективе О₂, параллельные пучки лучей различных длин волн соберутся каждый в своей точке задней фокальной плоскости объектива. В этой плоскости получится спектр: ряд цветных изображений входной щели, число которых равно количеству различных монохроматических излучений, имеющихся в свете.

Окуляр О_к располагается так, чтобы полученный спектр находился в его фокальной плоскости, которая должна совпадать с задней фокальной плоскостью объектива О₂. В этом случае глаз будет работать без напряжения, т.к. от каждого изображения спектральной линии в него будут входить параллельные пучки лучей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что понимают под дисперсией света?

2. Что такое спектр?

3. Какой спектр называется непрерывным или сплошным?

4. Излучения каких тел дают полосатые спектры?

5. Какие тела при излучении дают линейчатый спектр? Что он из себя представляет?

6. Объясните образование спектров в спектроскопе.

7. Правило Кирхгофа.

8. Что называется спектральным анализом?

9. Применение спектрального анализа.

10.Какие тела называются белыми, черными, прозрачными?

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА
В РАСТВОРЕ САХАРИМЕТРОМ»

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Сахариметр, растворы известной концентрации, раствор неизвестной концентрации, дистиллированная вода, пипетка.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

2. Явление поляризации света.

3. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса.

4. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков.

5. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Призма Николя.

6. Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Поляриметрия.

7. Устройство поляриметра, принцип его действия и применение.

8. Измерение концентрации оптически активных веществ с помощью поляриметра.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой векторы совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях синфазно. Причем естественный свет и свет, полученный от искусственных источников (кроме лазеров), имеет равновероятные плоскости колебаний векторов .

Электромагнитную волну, в которой векторы лежат в определенных плоскостях, называют плоскополяризованной. Плоскость, в которой лежит вектор , называют плоскостью поляризации. Кроме того, вектор называют световым вектором, т.к. электрическая составляющая вызывает фотохимические реакции и вызывает светоощущения.

Существуют различные способы получения поляризованного света.

Источник

Лабораторная работа: Определение длин волн излучения источников дискретного и непрерывного спектров

Лабораторная работа

«Определение длин волн излучения источников дискретного и непрерывного спектров»

Цель работы: градуировка спектроскопа по известному спектру неона, определение длин волн в спектре паров ртути и границ видимого спектра лампы накаливания.

Приборы и принадлежности: спектроскоп, неоновая лампа, ртутная лампа, лампа накаливания.

1. Теория метода

При переходе электронов из возбуждённого состояния с энергией E₂ в состояние с меньшей энергией E₁ атом излучает фотон частоты ω, энергия которого равна

. (1)

Совокупность частот испускаемого при этом возбуждёнными атомами излучения называется спектром.

В изолированных атомах энергетические уровни электронов имеют дискретную последовательность значений. Поэтому спектр излучения атома оказывается линейчатым. Такой спектр состоит из отдельных частот, образующих спектральные линии. В разреженном атомарном газе частицы слабо взаимодействуют друг с другом и поэтому сохраняют структуру энергетических уровней изолированных атомов. Этим условиям удовлетворяют, например, пары ртути и других металлов или инертные газы при нормальном или пониженном давлении. Такие вещества являются источниками линейчатых спектров.

При высоких температурах и больших давлениях из-за сильного взаимодействия между атомами их энергетические уровни расширяются и перекрываются. Примером такого источника служит раскалённый газ солнечной атмосферы, который испускает сплошной спектр.

Газы, состоящие из двух- и многоатомных молекул, при свечении дают полосатый спектр. Образование молекул из атомов сопровождается расщеплением энергетических уровней на полосы: вращательные, колебательно-вращательные и электронно-колебательные.

В твёрдых и жидких телах взаимодействие атомов приводит к расщеплению электронных уровней и образованию энергетических зон. Последовательность значений энергии электрона в зоне практически непрерывна. Поэтому переходы между зонами создают по существу сплошной спектр частот, который наблюдается при излучении нагретого тела, например, такого, как нить лампы накаливания.

Для изучения спектрального состава излучения необходимо осуществить пространственное разделение света по частотам (длинам волн), т.е. – спектральное разложение. Этим целям служат спектральные приборы – спектроскопы или спектографы. Если спектральный прибор позволяет проводить количественные измерения интенсивности излучения, он называется спектрометром. В большинстве спектральных приборов используется либо явление дисперсии, т.е. зависимость показателя преломления вещества от частоты или длины волны излучения, либо дифракционной решётки.

В данной работе для разложения света в спектр применён спектроскоп со стеклянной призмой, т.е. используется явление дисперсии. Схема спектроскопа приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема спектроскопа: 1 – источник света, 2 – входная щель, 3 – коллиматорная линза, 4 – призма, 5 – объектив, фокальная плоскость, 7 – окуляр

Свет источника освещает узкую входную щель трубы спектроскопа, расположенную параллельно ребру призму при преломляющем угле α. Щель помещена в фокальной плоскости коллиматорной линзы. Поэтому в плоскости преломляющего угла на призму падает параллельный пучок света и создаются одинаковые начальные условия преломления лучей разного цвета, т.е. волн разной частоты. После преломления в призме в объектив попадает уже несколько световых пучков, идущих под разными углами в соответствии с набором частот в спектре светящегося источника. Объектив собирает эти пучки в различных участках фокальной плоскости: таким образом, каждый пучок формирует изображение входной щели в лучах какого-либо одного цвета.

В случае дискретного набора частот в излучении источника изображения щели представляет собой линии разного цвета, отдельные друг от друга тёмными промежутками. Это – линейчатый спектр, рис. 2.

Рис. 2. Линейчатый спектр излучения неона: 1,2,…, 12 – изображение спектральных линий, длины волны которых приведены в табл. 1

Если источник излучает свет, в котором интенсивность непрерывно меняется с частотой, изображения щели разных цветов частично перекрываются и создают световое пятно, цвет которого непрерывно меняется в горизонтальном направлении от тёмно-фиолетового до тёмно-красного. Так выглядит сплошной спектр.

Изображение спектра рассматривают в окуляр спектроскопа, который вместе с объективом составляет зрительную трубу. Чем уже входная щель, тем меньше ширина её изображения, тем точнее можно определить её положение в фокальной плоскости. Но при этом меньше её интенсивность. Поэтому, если линия «слабая», то при узкой входной щели её можно не заметить. В центре поля зрения окуляра расположена индикаторная нить, которая служит для определения положения спектральной линии в фокальной плоскости. У спектроскопа имеется устройство вращения зрительной трубы вокруг вертикальной оси, снабжённое отсчётным механизмом. С помощью этого устройства ось зрительной трубы совмещают с направлениями световых пучков разного цвета. В этом случае изображение спектральной линии совпадает с индикаторной нитью, а положение зрительной трубы фиксируют при помощи отсчётного устройства, рис. 3.

Рис. 3. Схема отсчётного устройства спектроскопа: 1 – степень с неподвижной шкалой, 2 – барабан микрометрического винта с нониусной шкалой

Оно состоит из неподвижной шкалы, нанесённой на цилиндрический стержень, и барабана, который связан с микрометрическим винтом, перемещающимся вдоль стержня при вращении. Один оборот барабана соответствует его перемещению по неподвижному стержню на одно деление шкалы последнего. Поверхность барабана разбита на 50 делений и представляет собой нониусную шкалу. Одно деление этой шкалы соответствует 0,02 деления шкалы неподвижного стержня. Показанное на рис. 3 положение барабана соответствует отсчёту 3,94. При отсчёте по неподвижной шкале получают целое число делений, а по нониусной шкале после удвоения её показаний – сотые доли.

Для изучения неизвестного спектра необходимо предварительно отградуировать спектроскоп. Градуировка заключается в установлении соответствия между известной длиной волны спектральных линий и делениями шкалы отсчётного устройства. В результате получают график, который позволяет определять длины волн неизвестных спектральных линий. Пример такого графика приведён на рис. 4.

Рис. 4. Пример градуировочного графика: λ – длина волны света, – показания отсчетного устройства

В данной работе градуировка производится по спектру неона.

2. Порядок выполнения работы

1. Посмотрите в окуляр спектроскопа. Вращая оправу окуляра, добейтесь вертикального положения и чёткого изображения индикаторной нити. Включите неоновую лампу.

2. Расположите трубу спектроскопа сбоку от лампы и наведите входную щель трубы на межэлектродный промежуток. В этом месте яркость свечения наибольшая.

3. Градуировку начинайте с фиолетовой части спектра. Вращая барабан отсчётного устройства и одновременно вращая тубус окуляра вдоль оси зрительной трубы, добейтесь чёткого изображения первой фиолетовой линии и совмещения её центра с индикаторной нитью. Сделайте отсчёт по шкале. Проведите два независимых отсчёта (x ₁ и x ₂ ). Результаты запишите в табл. 1.

4. Вращая барабан дальше, добейтесь совмещения индикаторной нити со второй фиолетовой линией в спектре неона; значения двух измерений x ₁ и x ₂ запишите в табл. 1.

5. Аналогичные операции проделайте для каждой линии, видимой в спектре неона. Всего их должно быть 12. Расположение линий показано на рис. 2: большей толщине линии на рисунке соответствует большая яркость в спектре. Переходя к каждой следующей линии, корректируйте фокусировку зрительной трубы, перемещая тубус окуляра.

6. Выключите неоновую лампу, включите ртутную лампу.

7. Наведите спектроскоп на ртутную лампу. Поступая аналогично п.п. 3–5, определите отсчёты, соответствующие каждой спектральной линии в спектре паров ртути (измерения начинайте с фиолетовой части спектра). Всего в изучаемой части спектра паров ртути можно увидеть 5 линий. Данные запишите в табл. 2, укажите цвет линий.

8. Выключите ртутную лампу. Включите лампу накаливания, наведите на неё спектроскоп.

9. Определите отсчёты, соответствующие фиолетовой и красной границам видимого спектра «белого» цвета; данные измерений также запишите в табл. 2.

3. Обработка опытных данных

1. По результатам измерений табл. 1 и 2 вычислите средние значения отсчётов и занесите в соответствующие строки этих таблиц.

Должна получиться гладкая кривая.

3. Оцените погрешность определения длин волн по градуировочном графику. Если величина аргумента определяется с погрешностью Δλ, то погрешность определения функции Δλ можно найти из выражения

, (2)

Производную найдём методом численного дифференцирования. Этот метод основан на том, что на небольшом участие кривой касательную можно заменить хордой. Тогда

, (3)

Оценку погрешности проведите для фиолетового и красного участков градуировочной кривой, взяв в качестве λ₁ и λ₂ линии 417 и 425 нм в фиолетовой и 622 и 660 нм в красных частях спектра. Δx можно принять равным 0,05.

1) нм

, при Δx = 0,05

66,7 · 0,05 = 3,34 нм

2) нм

30,76 · 0,05 = 1,538 нм

3) нм

36,2 · 0,05 = 1,81 нм

4) нм

71,4 · 0,05 = 3,5 нм

5) нм

93,8 · 0,05 = 4,6 нм

6) нм

6 · 0,05 = 0,3 нм

7) нм

71 · 0,05 = 3,55 нм

8) нм

100 · 0,05 = 5 нм

9) нм

450 · 0,05 = 22,5 нм

10) нм

370 · 0,05 = 18,5 нм

11) нм

223 · 0,05 = 11 нм

4. Контрольные вопросы

1. Для чего на входе спектроскопа стоит щель?

2. Зачем в спектроскопе призма, объектив, окуляр?

3. Зачем градуируют спектроскоп?

4. Что такое спектр? Почему твёрдые тела и жидкости дают сплошной спектр, а газы – линейчатый или полосатый?

Совокупность частот испускаемого при этом возбуждёнными атомами излучения называется спектром.

В твёрдых и жидких телах взаимодействие атомов приводит к расщеплению электронных уровней и образованию энергетических зон. Последовательность значений энергии электрона в зоне практически непрерывна. Поэтому переходы между зонами создают по существу сплошной спектр частот, который наблюдается при излучении нагретого тела, например, такого, как нить лампы накаливания.

5. Каким способом в лабораторной работе возбуждается излучение неоновой и ртутной ламп и лампы накаливания? Что при этом происходит с атомами вещества?

Лампа накаливания является тепловым источником с тепловым излучением, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетические энергии превращаются в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Принцип действия «классической» ртутной лампы : ультрафиолетовое излучение разряда вызывает свечение люминофора, в результате чего получается белый цвет нужной цветности и цветопередачи.

Источник

Спектроскоп: возможности, расчлененка, тюнинг.

Не так давно я готовил обзор светодиодных лампочек и сделал из подручных средств спектроскоп с дифракционной решеткой. Сегодня мы рассмотрим спектроскоп с диспергирующей призмой промышленного изготовления. Плюсы, минусы, подводные камни. Прошу под кат.

Спектроскопы используются для разложения света на спектр. Спектр же, в свою очередь, дает возможность быстро и точно проанализировать вещество, которое испускает или поглощает свет. Продвинутая версия спектроскопа — спектрометр, позволяет сделать не качественный, а количественный анализ. Наиболее простые приборы — спектроскопы прямого зрения. В них используется призма, состоящая из стекол двух типов — флинтгласс и кронгласс.

Оптическое стекло с малым или большим коэффициентом преломления получают за счет меньшего или большего содержания в рецептуре стекла PbO. Граница, на которой получается пограничный крон-флинт, равна 3 процентам содержания окислов свинца.
Больше 3 процентов содержания PbO – флинт, меньше – крон.

Схема спектроскопа показана на рис. 1

Рис. 1. Схема спектроскопа.

Я нашел в интернете инструкцию для школьного спектроскопа, под спойлером избранные ее фрагменты.

Посмотрим, что же нам пришло.

Рис. 5. Коробка с прибором.

Рис. 6. Коробка с прибором, вид с другой стороны.

Рис. 7. Спектроскоп, транспортное положение.

Для точной фокусировки лучей тубус выдвигается.

Рис. 8. Спектроскоп с выдвинутым тубусом.

С одного конца прибора имеется окуляр.

Рис. 9. Окуляр спектроскопа.

С другого конца прибора располагается щель.

Рис. 10. Входная щель спектроскопа.

Разбираем прибор на части:

Рис. 11. Детали спектроскопа.

Слева направо: входная щель, торцевая заглушка, куда вклеивалась щель, корпус прибора, винт, соединяющий две половинки корпуса, гайка, фиксирующая линзу, собирающая линза, вторая гайка, резиновый корпус призмы Амичи, резиновая прокладка, стекло окуляра, корпус окуляра.

Наиболее сложная деталь тут конечно призма Амичи. Она состоит из трех призм, склеенных прозрачным оптическим клеем.

Собираем обратно и смотрим на солнышко:

Рис. 12. Спектр Солнца.

Как и предполагалось, видим ровный спектр со всей радугой.

Надо сказать, что снимать спектр фотоаппаратом довольно хлопотно. Спектр оказывается не совсем по центру окуляра, так что приходится ловить фотоаппаратом нужный угол, прикрывать щель между окуляром и объективом, чтобы не было паразитной засветки, при этом еще следить, чтоб фотоаппарат сфокусировался на спектре.

Теперь посмотрим на спектр энергосберегающей лампы, вот такой:

Рис. 13. Энергосберегающая лампа теплого света (2700К).

Рис. 14. Спектр энергосберегайки.

Мне тут не понравились широкие полоски и я предположил, что дело в слишком широкой входной щели. Кроме того, она была еще и немного смещена от центра прибора.

И я решил это дело исправить, приклеив два кусочка лезвия скальпеля.

Рис. 15. Доработка входной щели при помощи обломков лезвия скальпеля.

Получилось на просвет вот такая щелочка:

Рис. 16. Входная щель после модернизации.

После апгрейда спектр стал вот такой:

Рис. 17. Узкие полоски спектра после уменьшения щели.

Уже лучше. Но все-таки надеяться на то, что мы там сможем увидеть тонкие полоски, годные для спектрального анализа веществ, невозможно.

Хорошо бы еще покрасить внутреннюю поверхность тубуса черной матовой краской или даже обклеить черным бархатом. И прикрыть щель, по которой перемещается винтик. Иначе переотраженные от трубы лучи смешивают картину спектра.

Для интереса, запитал энергосберегайку от пониженного напряжения. Она стала светиться тусклее. Фотоаппарат выкрутил баланс белого и фото не передает истинной цветовой температуры.

Рис. 18. Энергосберегающая лампа при питании от 80 вольт.

Ее спектр выглядит вот так:

Рис. 19. Преобладание красного спектра в свечении лампы при пониженном напряжении.

Далее поставил светодиодную лампу для растений:

Рис. 20. Светодиодная лампа для растений.

Рис. 21. Спектр красно-синей светодиодной лампы.

Следом ультрафиолетовая лампа:

Рис. 22. Лампа УФ-диапазона.

Рис. 23. Видимая часть спектра УФ-лампы.

Наконец, пришло время старой-доброй лампы накаливания.

Сперва в четверть накала:

Рис. 24. Лампа накаливания при питании 50 вольт.

Рис. 25. Спектр лампы накаливания при напряжении 50 вольт.
Как видим, синяя часть спектра почти отсутствует. Лампа светит оранжевым светом.

Затем прибавил еще 40 вольт, на фотографии не выглядит сильно ярче, т.к. фотоаппарат изменил экспозицию.

Рис. 26. Лампа накаливания при 90 вольтах.

И в ее спектре уже видны синие тона:

Рис. 27. Спектр лампы накаливания при 90 вольтах.

Рис. 28. Спектр лампы накаливания в полный накал.

Уже почти эквивалентен солнечному спектру.

Итак, что можно сказать в заключении: Прибор работает, спектр можно увидеть прямо из коробки. Но для лучшего качества картинки просвет щели следует уменьшить. Ширина спектра кажется меньше, чем в спектроскопе с дифракционной решеткой. Вероятно, это зависит от качества призмы. На схемах некоторых спектроскопов видно, что призма может состоять не из трех, а из пяти элементов.

Спектроскоп годится как подарок ребенку 3-10 лет. Возможно он пробудит интерес к науке. Немаловажный фактор — компактность. Когда выбираешь подарок, об этом как-то не думаешь, а потом возникает проблема хранения десяти кубометров детского барахла. Еще такой спектроскоп можно прихватить с собой в магазин, когда собираетесь покупать лампочки.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Источник