Описание установки

Установка для наблюдения и измерения спектров в видимой области состоит из универсального монохроматора УМ-2, набора газоразрядных трубок, наполненных различными газами и блока питания к ним. Внешний вид и оптическая схема монохроматора приведены на рис. 6. Основные части монохроматора – коллиматор I, призменный столик с поворотным механизмом II и выходная труба III.

Свет от источника 12 через входную щель 1 попадает на объектив 2 коллиматора и параллельным пучком проходит диспергирующую призму 3 (рис. 6б). Под углом 90^˚ к падающему пучку света помещается выходная труба монохроматора. Поворачивая призменный столик на различные углы относительно падающего пучка света, получают в выходной щели 5 свет различной длины волны.

В качестве входной щели коллиматора применена стандартная симметричная щель с шириной раскрытия от 0 до 4 мм, регулируемая барабанчиком 7 (рис. 6а). Цена деления на барабанчике равна 0,01 мм. Ножи входной щели установлены в фокальной плоскости объектива 2 коллиматора. Фокусировка объектива производится маховичком 9. В трубе коллиматора между щелью и объективом помещён затвор, с помощью которого можно прекратить доступ света в прибор. Движением затвора управляют с помощью рукоятки 8.

В качестве диспергирующего элемента используется призма Аббе 3. Эта призма включает две прямоугольные призмы с преломляющими углами α₁ = 30^˚, разлагающие свет в спектр. Призмы приклеены к граням равнобедренной (с α₂ = 45^˚) прямоугольной призмы полного внутреннего отражения. Показатели преломления всех призм одинаковы (n₁ = n₂). В призме Аббе разложение света в спектр сопровождается отклонением пучка лучей на 90^˚.

Поворот призмы производится с помощью барабана длин волн 10. На барабане нанесены относительные деления – градусы. Отсчёт читается против указателя, скользящего по спиральной канавке (рис. 7а). Рабочий диапазон длин волн монохроматора УМ-2 λ = (3800 ÷ 10000) Å. (1 Å = 1∙10^-10 м).

Лучи света, пройдя диспергирующую призму, попадают в объектив 4 (рис. 6а) выходной трубы монохроматора, который собирает их в плоскости выходной щели 5. В фокальной плоскости окуляра 6 зрительной трубы имеется указатель, освещаемый лампочкой через сменные светофильтры в револьверной оправе 11.

Визуальное наблюдение спектральных линий осуществляется через окуляр с визиром. Для определения длины волны спектральных линий необходимо с помощью барабана совместить линию с визиром и снять отсчет на барабане. Затем, используя градуировочный график (рис. 7б), перевести показание барабана в длину волны.

Примечание: Градуировочный график рис. 7б носит ознакомительный характер. Рабочие графики размещены на стендах монохроматоров.

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

1. Ознакомиться с устройством и работой монохроматора УМ-2.

2. Установить перед коллиматором I монохроматора источник света с ртутной лампой. Произвести настройку монохроматора по двум оранжевым линиям (5770 Å и 5790 Å ) таким образом, чтобы они были видны раздельно и резко.

Примечание. Настройка монохроматора производится лаборантом или преподавателем.

3. Снять наиболее интенсивные линии, наблюдающиеся в спектре паров ртути. Данные занести в таблицу 1. Интенсивность линий оценивать качественно по пятибалльной шкале - очень сильная (о. с.), сильная (с.), средняя (ср.), слабая (сл.) и очень слабая (о. сл).

Таблица 1 [5]

Пары ртути						Газ - гелий
Эксперимент				Справочн.		Эксперимент				Справочн.
Деления барабана	λ, Å	Интенсивность	Цвет	λ, Å	Интен-сивность	Деления барабана	λ, Å	Интенсивность	Цвет	λ, Å	Интен-сивность
				6907	125					6678	100
				5803	70					6560	100
				5790	1000					5876	1000
				5770	600					5411	50
				5676	80					5015	100
				5461	2000					4922	50
				4916	50					4713	40
				4358	500					4686	300
				4348	200					4472	100
				4339	20					4388	30
				4078	150
				4047	300

Примечание. Справочные значения интенсивности линий в таблицах 1, 2 указаны в относительных единицах. Жирным шрифтом выделены наиболее сильные линии в спектрах. Для неона указаны только наиболее сильные линии.

Таблица 2 [5]

Газ - неон						Газ – неон (продолжение)
Эксперимент				Справочн.		Эксперимент				Справочн.
Деления барабана	λ, Å	Интенсивность	Цвет	λ, Å	Интен-сивность	Деления барабана	λ, Å	Интенсивность	Цвет	λ, Å	Интен-сивность
				6599	1000					5852	2000
				6507	1000					5401	2000
				6402	2000					5341	1000
				6383	1000					4957	1000
				6334	1000					4884	1000
				6266	1000					4752	1000
				6217	1000					4715	1500
				6164	1000					4712	1000
				6143	1000					4708	1200
				6074	1000					4704	1500
				6030	1000					4538	1000
				5882	1000

4. Произвести аналогичные измерения для других газов (гелий, неон – по указанию преподавателя). Данные занести в таблицы (1, 2).

5. Установить перед объективом монохроматора лампу накаливания и ознакомиться с характером спектра нагретого твердого тела. Измерить длину волны, соответствующей середине λср каждой области спектра (красной, оранжевой, желтой, зеленой и т.д.). Данные занести в таблицу 3.

Таблица 3

6. Цвет	Красный	Оранжевый	Жёлтый	Зелёный	Голубой	Синий	Фиолетовый
   λср, мкм

   Установить перед объективом монохроматора источник света с ртутной лампой. Закрыть окно лампы ультрафиолетовым светофильтром. Установить кювету с органической жидкостью. Наблюдать спектр люминесценции молекулярного вещества. Данные о середине полосы λср и её ширине Δλ занести в таблицу 4.

Таблица 4

Цвет
λср, мкм
Δλ, мкм

На основании полученных данных необходимо провести качественный анализ состава газа в газоразрядных трубках. Химический состав газов в газоразрядных трубках подтверждают, сопоставляя измеренные в работе длины волн с табличными данными спектральных линий элементов (источники света надписаны). Качественный анализ производится, как правило, по наиболее сильным линиям спектров.

Сделать выводы о характере спектров газов, паров, органических жидкостей и твёрдых тел.