Визначення довжин хвиль випромінювання джерел дискретного і безперервного спектрів

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Лабораторна робота

"Визначення довжин хвиль випромінювання джерел дискретного і безперервного спектрів"

Введення

Мета роботи: градуювання спектроскопа за відомим спектру неону, визначення довжин хвиль у спектрі пари ртуті і кордонів видимого спектру лампи розжарювання.

Прилади й приналежності: спектроскоп, неонова лампа, ртутна лампа, лампа розжарювання.

1. Теорія методу

При переході електронів зі збудженого стану з енергією E 2 у стан з меншою енергією E 1 атом випромінює фотон частоти ω, енергія якого дорівнює

. (1)

де = 1,05 · 10 -34 Дж · с - постійна Планка.

Сукупність частот испускаемого при цьому збудженими атомами випромінювання називається спектром.

В ізольованих атомах енергетичні рівні електронів мають дискретну послідовність значень. Тому спектр випромінювання атома виявляється лінійчатим. Такий спектр складається з окремих частот, що утворюють спектральні лінії. У розрідженому атомарному газі частки слабо взаємодіють один з одним і тому зберігають структуру енергетичних рівнів ізольованих атомів. Цим умовам задовольняють, наприклад, пари ртуті та інших металів або інертні гази при нормальному або зниженому тиску. Такі речовини є джерелами лінійчатих спектрів.

При високих температурах і великих тисках через сильний взаємодії між атомами їх енергетичні рівні розширюються і перекриваються. Прикладом такого джерела служить розпечений газ сонячної атмосфери, який випускає суцільний спектр.

Гази, що складаються із двох-і багатоатомних молекул, при світінні дають смугастий спектр. Освіта молекул з атомів супроводжується розщепленням енергетичних рівнів на смуги: обертальні, коливально-обертальні та електронно-коливальні.

У твердих і рідких тілах взаємодія атомів приводить до розщеплення електронних рівнів і утворення енергетичних зон. Послідовність значень енергії електрона в зоні практично безперервна. Тому переходи між зонами створюють по суті суцільний спектр частот, який спостерігається при випромінюванні нагрітого тіла, наприклад, такого, як нитка лампи розжарювання.

Для вивчення спектрального складу випромінювання необхідно здійснити просторове розділення світла за частотами (довжинах хвиль), тобто - Спектральне розкладання. Цим цілям служать спектральні прилади - спектроскопи або спектографи. Якщо спектральний прилад дозволяє проводити кількісні вимірювання інтенсивності випромінювання, він називається спектрометром. У більшості спектральних приладів використовується або явище дисперсії, тобто залежність показника заломлення речовини від частоти чи довжини хвилі випромінювання, або дифракційної решітки.

У даній роботі для розкладання світла в спектр застосований спектроскоп зі скляною призмою, тобто використовується явище дисперсії. Схема спектроскопа наведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема спектроскопа: 1 - джерело світла, 2 - вхідна щілина, 3 - коліматорний лінза, 4 - призма, 5 - об'єктив, фокальна площина, 7 - окуляр

Світло джерела висвітлює вузьку вхідну щілину труби спектроскопа, розташовану паралельно ребру призму при заломлюючої вугіллі α. Щілина поміщена в фокальній площині колліматорної лінзи. Тому в площині заломлюючого кута на призму падає паралельний пучок світла і створюються однакові початкові умови заломлення променів різного кольору, тобто хвиль різної частоти. Після заломлення в призмі в об'єктив потрапляє вже кілька світлових пучків, що йдуть під різними кутами у відповідності з набором частот в спектрі світиться джерела. Об'єктив збирає ці пучки в різних ділянках фокальній площині: таким чином, кожен пучок формує зображення вхідної щілини в променях якого-небудь одного кольору.

У випадку дискретного набору частот у випромінюванні джерела зображення щілини представляє собою лінії різного кольору, окремі один від одного темними проміжками. Це - лінійчатий спектр, рис. 2.

Рис. 2. Лінійчатий спектр випромінювання неону: 1,2, ..., 12 - зображення спектральних ліній, довжини хвилі яких наведено в табл. 1

Якщо джерело випромінює світло, в якому інтенсивність безперервно змінюється з частотою, зображення щілини різних кольорів частково перекриваються і створюють світлове пляма, колір якого безперервно змінюється в горизонтальному напрямку від темно-фіолетового до темно-червоного. Так виглядає суцільний спектр.

Зображення спектру розглядають в окуляр спектроскопа, який разом з об'єктивом становить зорову трубу. Чим вже вхідна щілина, тим менше ширина її зображення, тим точніше можна визначити її положення в фокальній площині. Але при цьому менше її інтенсивність. Тому, якщо лінія «слабка», то при вузькій вхідної щілини її можна не помітити. У центрі поля зору окуляра розташована індикаторна нитка, яка служить для визначення положення спектральної лінії в фокальній площині. У спектроскопа є пристрій обертання зорової труби навколо вертикальної осі, забезпечене відліковим механізмом. За допомогою цього пристрою вісь зорової труби поєднують з напрямками світлових пучків різного кольору. У цьому випадку зображення спектральної лінії збігається з індикаторною ниткою, а положення зорової труби фіксують за допомогою відлікового пристрою, рис. 3.

Рис. 3. Схема відлікового пристрою спектроскопа: 1 - ступінь з нерухомою шкалою, 2 - барабан мікрометричного гвинта з нониусной шкалою

Воно складається з нерухомої шкали, нанесеної на циліндричний стрижень, і барабана, який пов'язаний з мікрометричним гвинтом, переміщається вздовж стрижня при обертанні. Один оборот барабана відповідає його переміщенню по нерухомому стрижню на одну поділку шкали останнього. Поверхня барабана розбита на 50 поділок і являє собою нониусной шкалу. Одне розподіл цієї шкали відповідає 0,02 поділки шкали нерухомого стрижня. Показане на рис. 3 положення барабана відповідає відліку 3,94. При відліку по нерухомій шкалою отримують ціле число поділок, а по нониусной шкалою після подвоєння її свідчень - соті частки.

Для вивчення невідомого спектра необхідно попередньо відградуювати спектроскоп. Градуювання полягає у встановленні відповідності між відомої довжиною хвилі спектральних ліній і поділами шкали відлікового пристрою. У результаті отримують графік, який дозволяє визначати довжини хвиль невідомих спектральних ліній. Приклад такого графіка наведено на рис. 4.

Рис. 4. Приклад градуювального графіка: λ - довжина хвилі світла, <x> - свідчення відлікового пристрою

У даній роботі градуювання проводиться за спектром неону.

2. Порядок виконання роботи

1. Подивіться в окуляр спектроскопа. Обертаючи оправу окуляра, добийтеся вертикального положення і чіткого зображення індикаторної нитки. Увімкніть неонову лампу.

2. Розташуйте трубу спектроскопа збоку від лампи і наведіть вхідну щілину труби на міжелектродний проміжок. У цьому місці яскравість світіння найбільша.

3. Градуювання починайте з фіолетової частини спектра. Обертаючи барабан відлікового пристрою та одночасно обертаючи тубус окуляра вздовж осі зорової труби, добийтеся чіткого зображення першого фіолетовою лінії та суміщення її центру з індикаторною ниткою. Зробіть відлік <x> по шкалі. Проведіть два незалежних відліку (x 1 і x 2). Результати запишіть у табл. 1.

4. Обертаючи барабан далі, добийтеся поєднання індикаторної нитки з другої фіолетовою лінією в спектрі неону; значення двох вимірювань x 1 і x 2 запишіть у табл. 1.

5. Аналогічні операції виконайте для кожної лінії, яку видно в спектрі неону. Всього їх повинно бути 12. Розташування ліній показано на рис. 2: більшій товщині лінії на малюнку відповідає більша яскравість в спектрі. Переходячи до кожної наступної лінії, коректуйте фокусування зорової труби, переміщаючи тубус окуляра.

6. Вимкніть неонову лампу, дозволите ртутну лампу.

7. Наведіть спектроскоп на ртутну лампу. Поступаючи аналогічно п.п. 3-5, визначте відліки, що відповідають кожній спектральної лінії в спектрі парів ртуті (вимірювання починайте з фіолетової частини спектра). Всього в досліджуваної частини спектру парів ртуті можна побачити 5 ліній. Дані запишіть у табл. 2, вкажіть колір ліній.

8. Вимкніть ртутну лампу. Увімкніть лампу розжарювання, наведіть на неї спектроскоп.

9. Визначте відліки, відповідні фіолетовою і червоною кордонів видимого спектру «білого» кольору; дані вимірювань також запишіть у табл. 2.

3. Обробка досвідчених даних

1. За результатами вимірювань табл. 1 і 2 обчисліть середні значення відліків <x> і занесіть у відповідні рядки цих таблиць.

Побудуйте градуювальний графік залежності довжини хвилі (у нм) від середньої величини відліку <x>. Графік слід будувати олівцем на міліметровому папері. Рекомендується наступний масштаб: 10 мм по осі ординат відповідає 20 нм, а по осі абсцис - 0,5 великого поділу шкали. На осях графіка позначайте тільки «круглі» цифри: наприклад, 400, 500 нм і т.д.; 4, 5, 6 поділок.

Повинна вийти гладка крива.

2. Користуючись із клавіатури графіком та отриманими значеннями відліків <x>, наведеними в табл. 2, знайдіть значення невідомих довжин спектру парів ртуті і меж видимого спектру лампи розжарювання. Отримані результати запишіть у табл. 2 (нижня рядок).

3. Оцініть похибку визначення довжин хвиль по градуювальної графіком. Якщо величина аргументу визначається з похибкою Δλ, то похибка визначення функції Δλ можна знайти з виразу

, (2)

Похідну знайдемо методом чисельного диференціювання. Цей метод заснований на тому, що на невеликому участь кривої дотичну можна замінити хордою. Тоді

, (3)

де і - Середні відліки, відповідні довжинах хвиль λ 1 і λ 2.

Таблиця 1

Спектральна лінія

відліки

Δλ, нм

колір

довжина λ, нм

x 1

x 2

<X>


1

фіолетовий

417

3,28

3,32

3,3

33,4

2


425

3,4

3,44

3,42

1,53

3


433

3,66

3,7

3,68

1,81

4

синій

454

4,28

4,24

4,26

3,5

5

блакитний

479

4,62

4,6

4,61

4,6

6

зелений

515

5,24

5,28

5,26

0,3

7


522

6,44

6,4

6,42

3,55

8


527

6,48

6,5

6,49

5

9


540

6,6

6,64

6,62

22,5

10

жовтий

585

6,7

6,74

6,72

18,5

11

помаранчевий

622

6,84

6,8

6,82

11

12

червоний

660

7

6,98

6,99

15,3

Таблиця 2

Спектральний джерело

Ртутна лампа

Лампа розжарювання

колір лінії

ФИОЛ

сін

зел

оран

крас

фіолет

красн

x 1

3,54

4,94

5,76

6,26

6,66

3,74

6,92

x 2

3,5

4,9

5,8

6,3

6,62

3,78

6,96

<X>

3,52

4,92

5,78

6,28

6,64

3,76

6,94

λ, нм

418

476

520

545

582

434

604

Оцінку похибки проведіть для фіолетового і червоного ділянок градуювальної кривої, взявши за λ 1 і λ 2 лінії 417 і 425 нм у фіолетовій і 622 і 660 нм в червоних частинах спектра. Δ x можна прийняти рівним 0,05.

1) нм

, При Δ x = 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. Контрольні питання

1. Для чого на вході спектроскопа варто щілину?

Світло джерела висвітлює вузьку вхідну щілину труби спектроскопа, розташовану паралельно ребру призму при заломлюючої вугіллі α. Досліджуване випромінювання надходить спочатку в частину приладу, звану коліматором. Коліматор являє собою трубку, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому збирає лінза. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому розходиться світловий пучок, що потрапляє на лінзу з щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму. У площині заломлюючого кута на призму падає паралельний пучок світла, і створюються однакові початкові умови заломлення променів різного кольору, тобто хвилі різної частоти. З призми виходять паралельні промені, що не збігаються за напрямком. Вони падають на іншу лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран. Ця лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом і утворюють спектр.

2. Навіщо в спектроскопії призма, об'єктив, окуляр?

При попаданні на призму, в площині заломлюючого кута, паралельний пучок світла заломлюється. Після заломлення в призмі в об'єктив потрапляє вже кілька світлових пучків, що йдуть під різними кутами. Об'е6ктів збирає ці пучки в різних ділянках фокальній площині, при цьому кожний пучок формує зображення вхідної щілини в променях якого-небудь одного кольору. Зображення спектру розглядають в окуляр спектроскопа, який разом з об'єктивом становить зорову трубку.

3. Навіщо градуюють спектроскоп?

Спектроскоп попередньо градуюють для вивчення невідомої спектру. Градуювання полягає у встановленні відповідності між відомої довжиною хвилі спектральних ліній і поділами шкали відлікового пристрою. У результаті отримують графік, який дозволяє визначати довжини хвиль невідомих спектральних ліній.

4. Що таке спектр? Чому тверді тіла і рідини дають суцільний спектр, а гази - лінійчатий або смугастий?

Сукупність частот испускаемого при цьому збудженими атомами випромінювання називається спектром.

В ізольованих атомах енергетичні рівні електронів мають дискретну послідовність значень. Тому спектр випромінювання атома виявляється лінійчатим. Такий спектр складається з окремих частот, що утворюють спектральні лінії. У розрідженому атомарному газі частки слабо взаємодіють один з одним і тому зберігають структуру енергетичних рівнів ізольованих атомів. Цим умовам задовольняють, наприклад, пари ртуті та інших металів або інертні гази при нормальному або зниженому тиску. Такі речовини є джерелами лінійчатих спектрів.

Гази, що складаються із двох-і багатоатомних молекул, при світінні дають смугастий спектр. Освіта молекул з атомів супроводжується розщепленням енергетичних рівнів на смуги: обертальні, коливально-обертальні та електронно-коливальні.

У твердих і рідких тілах взаємодія атомів приводить до розщеплення електронних рівнів і утворення енергетичних зон. Послідовність значень енергії електрона в зоні практично безперервна. Тому переходи між зонами створюють по суті суцільний спектр частот, який спостерігається при випромінюванні нагрітого тіла, наприклад, такого, як нитка лампи розжарювання.

5. Яким способом в лабораторній роботі збуджується випромінювання неонової і ртутної ламп та лампи розжарювання? Що при цьому відбувається з атомами речовини?

Лампа розжарювання є тепловим джерелом з тепловим випромінюванням, при якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються за рахунок енергії теплового руху атомів (або молекул) випромінюючого тіла. Чим вище температура тіла, тим швидше рухаються атоми. При зіткненні швидких атомів (або молекул) один з одним частина їх кінетичні енергії перетворюються на енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло.

У неонової лампі використовується принцип електролюмінесценції. При розряді в газах електричне поле повідомляє електронам велику енергію, частина якої йде на збудження атомів (віддають енергію у вигляді світлових хвиль), тому розряд у газі супроводжується світінням.

Принцип дії «класичної» ртутної лампи: ультрафіолетове випромінювання розряду викликає світіння люмінофора, у результаті чого виходить білий колір потрібної кольоровості та передачі кольору.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Лабораторна робота
69.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Комутаційно-фільтрові пристрій радіолокатора безперервного випромінювання з частотною маніпуляцією
Основи теорії випромінювання звукових хвиль
Про єдність природознавства в рамках дискретного підходу
Дисперсія Спостереження спектрів
Дослідження спектрів немодульований і модульованих коливань
Дослідження спектрів немодульований і модульованих коливань і сигналів
Відновлення безперервного сигналу
Калібрування інструменту безперервного стану
Арифметичне кодування Кодування довжин повторень
© Усі права захищені
написати до нас