Р исунок 2 Ход лучей в спектроскопе

Для изучения химического состава вещества методом спектрального анализа исследуемое вещество нагревается до такой температуры, при которой оно находиться в газообразном состоянии и излучает свет. Для возбуждения атомов вещества, находящегося в газообразном состоянии, часто используется электрический разряд.

Рисунок 3 Принципиальная схема спектрального аппарата

диспергирующей системой в изучаемом спектроскопе является спектральная треугольная призма. Призма для спектрального разложения света впервые была предложена Ньютоном. Спектральной призмой (или просто призмой) называется многогранник, сделанный из прозрачного материала, обладающего значительной дисперсией dn/d. Простейшей спектральной призмой является призма треугольного сечения с параллельными боковыми ребрами. (Рисунок 4) При прохождении через призму пучок лучей в результате двукратного преломления отклоняется к её основанию на некоторый угол  будут разными для различных монохроматических лучей, вследствие того что показатель преломления n материала призмы зависит от длины волны . Если показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны, то материал имеет нормальную дисперсию, а призма отклоняет коротковолновые (фиолетовые) лучи больше, чем длинноволновые (красные).

А) Б)

Рисунок 4 Простейшая спектральная призма

4.3. Характеристики спектральных призм и аппаратов. Спектральные призмы используются как диспергирующие устройства во многих спектральных приборах: монохроматорах УМ-2, спектрографах, стилоскопах, спектрофотометрах и др. При этом спектральные призмы могут иметь форму сложного многогранника или же состоять из комбинации нескольких призм. Материалом, которых служат стекло, кварц, флюорит и др. Преломляющая способность характеризуется в основном тремя величинами:

1. Показателем преломления n_D для жёлтой линии натрия (_D=589,3 нм)

2. Средней дисперсией

(1)

где n_F и n_C показатели преломления для голубой и красной линии водорода (λ_F=486,1нм, λ_C=656,3 нм);

3. Коэффициентом средней дисперсии, или числом Аббе:

(2)

Для полной характеристики оптических материалов определяются показатели преломления для длин волн всего оптического спектра.

В настоящей работе изучается призма треугольного сечения. Показатель преломления такой призмы нетрудно получить, если рассматривать ход луча в главном сечении призмы - сечении перпендикулярным его боковым ребрам (при наименьшем угле отклонения φ_мин). Учитывая закон преломления, получим

(3)

где φ_мин - угол наименьшего отклонения, Θ - преломляющий угол призмы.

Преломляющий угол Θ призмы может быть различным, но не больше предельного значения Θ_макс:

(4)

Если преломляющий угол призмы больше Θ_макс, то световой луч, преломившись на первой грани, упадет на вторую грань под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и не выйдет из призмы.

Основными характеристиками спектрального аппарата являются угловая и линейная дисперсии. Ширина спектра призмы характеризуется угловой дисперсией β. Обычно положение спектральной линии в спектральном аппарате задается углом отклонения, определяющим направление соответствующего светового луча. Обычно положение спектральной линии в спектральном аппарате задается углом отклонения, определяющим направление соответствующего светового луча. Поэтому угловую дисперсию β определяют как отношение разности углов отклонения δφ двух спектрально близких монохроматических пучков к разности их длин волн δλ:

β = δφ/δλ (5)

Значение β выражается, например, в угловых единицах на нанометр (с/нм). Угловую дисперсию получим, дифференцируя выражение (3):

(6)

где dn/dλ – дисперсия показателя преломления в веществе призмы. Для стекла сорта ТФ-5 dn/dλ=3200 см^-1 в синей части спектра и dn/dλ=1170см^-1 в красной.

Если угол Θ равен 60⁰, то формула (6) упрощается:

(7)

Если угловому расстоянию δφ соответствует линейное расстояние δs в плоскости изображения 7 (см. рисунок 3) объектива зрительной трубы прибора, то линейная дисперсия (8).

По величине угловой дисперсии нетрудно получить значение нетрудно получить значение линейной дисперсии l. Действительно, если расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на δλ, равно δs в плоскости 7 (рисунок 3), то это расстояние при малых углах связано с углом δφ равенством

, (9)

где f' – фокусное расстояние объектива зрительной трубы. Отсюда получим (10). Следовательно,

(11)

4.4 Градуировка спектроскопа. Работа со спектроскопом начинается с его градуировки. Градуировкой спектроскопа называется процесс, с помощью которого устанавливается связь между отсчётом по шкале микрометрического винта и длиной волны спектральной линии, расположенной против нити в зрительной трубе. Вращением микрометрического винта осуществляется поворот зрительной трубы в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, что приводит к перемещению нити по спектру. Для градуировки используется источник света. У которого имеются линии во всех участках спектра. Длины волн этих линий должны быть известны с высокой точностью. В качестве эталонного может быть выбран, например, спектр гелия.

По результатам измерения положений линий спектра гелия строится градуировочная кривая спектроскопа. По оси ординат откладывают длины волн, по оси абсцисс – соответствующие им отсчеты по шкале микрометрического винта, полученные при совмещении линии с нитью в зрительной трубе.

После градуировки спектроскопа химического состава вещества по спектру можно определять в следующем порядке. Выберем в исследуемом спектре самую яркую линию. Вращением микрометрического винта, найдем по градуировочной кривой длину волны этой линии.

Далее можно воспользоваться первой таблицей спектральных линий (см. приложение). В ней расположены в порядке убывания длины волны самые интенсивные линии большинства элементов таблицы Д.И. Менделеева. Пусть, например, длина волны определяемой линии оказалась равной 586 нм. Так как точность определения длины волны с помощью школьного спектроскопа не выше 1-2 нм, эта линия по данным таблицы может принадлежать либо криптону, либо неону. Для окончательного решения вопроса о принадлежности линии воспользуемся данными второй таблицы, в которой приведены длины волн основных спектральных линий некоторых элементов.

Познакомившись с данными о спектрах криптона и неона, мы узнаем, что в спектре криптона, кроме наблюдаемой линии, должна быть ещё зеленая линия с длиной волны 557 нм. По градуировочной кривой найдем, какому отсчету по шкале микрометрического винта соответствует эта длина волны, и установим винт в такое положение. Если при этом нить совместилась с зеленой линией, то наблюдаемый спектр действительно принадлежит криптону.

Если же линия принадлежит неону, то в спектре должны присутствовать еще красная линия (640 нм), две оранжевые линии (614 и 594 нм), две зеленые линии (540 и 533 нм), голубая линия (503 нм) и синяя линия (485 нм).

Разумеется, исследуемый образец может иметь сложный химический состав, тогда после установления принадлежности группы линий одному элементу в эго спектре могут остаться линии неизвестного происхождения. Определение химического элемента, которому они принадлежат, производится в той же последовательности, в которой определялся первый элемент.