МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Егорьевский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

(ЕТИ ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Факультет технологии и управления производствами

Кафедра естественнонаучных дисциплин

Изучение спектроскопа

Методические указания к выполнению лабораторной работы

ЕТИ. Ф.ЛР.03.

г. Егорьевск 2015

Составители: _____________ В.Ю. Никифоров, ст. преподаватель ЕНД

В методических указаниях рассмотрены методы оценки результатов измерений и расчета погрешностей, приобретение навыков практической работы с измерительными и электроизмерительными приборами.

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров: 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств, 220700 Автоматизация технологических процессов и производств, 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры ЕНД

(протокол № ___________ от __________г.)

Председатель УМГ _____________ Г.Г Шабаева

Изучение спектроскопа

1. Цель работы: Ознакомление с принципом действия и работой спектрального аппарата - спектроскопа и определение его дисперсионных характеристик.

2. Оборудование и материалы: Спектроскоп; спектральные трубки, неоновая лампа, спиртовка; асбест, растворы поваренной соли, штатив, пинцет, набор светофильтров, прибор для зажигания спектральных трубок, источник питания, источник света.

3. Содержание работы.

3.1. Изучить теоретический материал.

3.2. Собрать экспериментальную установку.

3.3. Пронаблюдать сплошной спектр.

3.4. Пронаблюдать линейчатый спектр

3.5. Пронаблюдать спектр поглощения

3.6. Определить дисперсионные характеристики спектроскопа для синей и красной частей спектра.

3.7. Оформить отчет.

4. Теоретические предпосылки работы.

4.1 Виды спектров. Все атомы химического элемента обладают одинаковым зарядом атомного ядра, их электронные оболочки имеют одинаковое строение. Поэтому набор частот испускаемых квантов или длин волн излучаемого света у всех атомов одного элемента одинаков.

У каждого химического элемента свой заряд атомного ядра и свое особое строение электронной оболочки. Возбужденные атомы каждого химического элемента испускают световые кванты таких частот, какие не испускают атомы ни одного другого химического элемента. Состав излучения по длинам волн можно узнать, пропустив узкий пучок света через стеклянную призму. Получающийся при разложении линейчатый спектр служит точным «паспортом», по которому можно узнать химический элемент.

Вид спектра зависит от свойства источника исследуемого света.

Светящиеся твердые и жидкие (расплавленные) тела излучают комплексы лучей с постепенным переходом от волн одной длины к волнам другой длины, поэтому спектр их излучения имеет вид цветной полоски с непрерывно изменяющейся окраской. Такие спектры называются сплошными.

Светящиеся пары и газы (пламя, газы в разрядных трубках) дают спектры прерывистые, или линейчатые, состоящие из отдельных цветных линий, получающиеся от лучей с разными длинами волн.

Спектры солнечного излучения основной массы Солнца имеет вид сплошного, но с большим числом темных тонких линий, пресекающих спектр, получающихся от излучения раскаленных паров и газов, окружающих в виде оболочки основную массу Солнца и поглощающих те лучи, которые они сами испускают. Так как яркость испускания газов солнечной оболочки гораздо меньше, чем яркость лучей основного ядра, то соответственные места спектра кажутся темными. Спектры этого типа называются спектрами поглощения. Главные лучи поглощения солнечного спектра называются фраунгоферовыми и отмечаются буквами латинского алфавита.

4.2 Спектральные аппараты. Спектр веществ можно изучать с помощью спектральных аппаратов. Спектральные аппараты служат для пространственного разделения лучей различных длин волн. Принципиальная схема спектрального аппарата представлена на рисунках 2 и 3. Спектральный аппарат состоит из трех частей (Рисунок 3): коллиматора 2-4, служащего для получения параллельного пучка лучей, диспергирующей системы 5, (призмы или дифракционной решётки), разлагающей немонохроматический свет в спектр и зрительной трубы 6-8 для наблюдения спектра, или регистрирующего устройства.

Ход лучей в данной схеме следующий. 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 диспергирующую систему.

Если источник испускает немонохроматический свет, то вследствие того, что волны различных длин 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 ₁, ₂, ₃, …, . Эти параллельные пучки лучей соберутся в фокальной плоскости 7 объектива 6 зрительной трубы в виде спектрального изображения щели 3. Если источником служит лампа низкого давления, содержащая инертный газ в атомарном состоянии, то спектральное изображение щели будет иметь вид цветных полос, соответствующих атомному линейчатому спектру газа лампы. Спектр может наблюдаться глазом через окуляр 8, при этом спектральные линии выводятся на выходную щель зрительной трубы, расположенную в плоскости 7.

В ряде приборов спектр может фотографироваться фотокамерой или регистрироваться каким-либо специальным регистрирующим устройством.

Наиболее простейший спектральный прибор, используемый для разложения сложного света и наблюдения спектров, называется спектроскопом.

Школьный спектроскоп (рисунок 1) состоит из двух труб – коллиматора (1) и зрительной трубы (3), между которыми расположена призма (2). Один конец коллиматора закрыт ширмой, в которой имеется узкая щель (4), на другом его конце находится собирающая линза - объектив (5). Линза необходима для превращения расходящегося пучка света в параллельный пучок света, выходящий из коллиматорной трубы (1), падал на грань стеклянной призмы (2). Зрительная труба снабжена двумя собирающими линзами – объективом (6) и окуляром (7). Микрометрический винт (8) позволяет поворачивать трубу (3) относительно призмы.

Рисунок 1 Школьный спектроскоп двухтрубный

Эти разноцветные изображения щели называются линейчатым спектром химического элемента. Измерив длины волн линий полученного спектра и сравнив найденные значения с табличными сведениями о спектрах различных химических элементов, можно узнать, какому элементу принадлежит исследуемый спектр.