Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ ПРИЗМЕННОГО СПЕКТРОГРАФА

Приборы и принадлежности

Спектрограф ИСП-28, спектропроектор ПС-18, компаратор Аббе.

Цель работы  изучение спектрографа, ознакомление с методами определения длин волн спектральных линий с использованием призменного спектрального прибора.

Краткая теория

Спектрограф  прибор, пространственно разделяющий лучи различных длин волн и позволяющий получить фотографическое изображение спектра,  наиболее распространен и применяется в практике заводских лабораторий и научно-исследовательских институтов для решения большинства спектрально-аналитических задач.

В работе используется кварцевый спектрограф ИСП-28. Этот прибор средней дисперсии даёт высокое качество спектра и широко применяется для качественного и количественного спектрального анализа сплавов, руд и минералов. Оптическая схема ИСП-28 показана на рис. 1.

Главная часть любого спектрографа  диспергирующее устройство, которое отклоняет проходящее через него излучение различных волн на разные углы. В спектрографе ИСП-28 это диспергирующее устройство состоит из призмы Корню. Описание призмы Корню дано ниже.

Помимо диспергирующей призмы спектрограф имеет коллиматор и камеру. Назначение коллиматора  направить на призму параллельный пучок.

В спектрографе ИСП-28 коллиматор состоит из зеркального объектива 6 и щели 5. Для получения параллельного пучка щель 5 обычно помещается в фокальной плоскости зеркального объектива, который представляет собой сферическое зеркало с наружным отражающим слоем.

Рис. 1. Оптическая схема спектрографа ИСП-28: 1  источник света; 2-4  конденсорные линзы; 5  входная щель; 6  зеркальный объектив коллиматора; 7  диспергирующая призма; 8  объектив камеры; 9  плоскость фотокассеты

Фокусное расстояние коллиматорного объектива одинаково для всех длин волн, в данном случае f₁=703 мм. Угол между оптической осью светового пучка, падающего на коллиматорный объектив, и оптической осью пучка, отраженного от коллиматорного объектива, равен 217'.

Назначение камеры спектрографа  фокусировать излучение различных длин волн в плоскости фотопластинки. В спектрографе ИСП-28 камера состоит из двух кварцевых линз 8 и кассеты 9. Наблюдаемые визуально или фотографически спектральные линии представляют собой монохроматические изображения входной щели, образованные оптической системой спектрографа. Совокупность этих монохроматических изображений входной щели называется спектром.

Фокусное расстояние камерного объектива зависит от длины волны света. Для длины световой волны  = 2573 Å величина f₂ = 830 мм. Для больших длин волн фокусное расстояние больше, для меньших  меньше, что видно из формулы

(1)

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны линзы объектива; n – показатель преломления, который в случае нормальной дисперсии сравнительно медленно уменьшается с увеличением длины волны.

Зависимость показателя преломления (для случая нормальной дисперсии) от длины волны может быть с достаточным приближением выражена формулой Коши.

(2)

где А, В и С – некоторые постоянные, или формулой Гартмана

(2а)

где n₀, ₀ и С – постоянные. Чтобы весь спектр получился на фотопластинке сфокусированным одновременно, плоскость кассеты 9 наклонена к оси камерного объектива под углом 4140'. Положение призмы и всех объективов, а также наклон кассеты вполне определены и в готовом приборе не изменяются.

Осветительная часть состоит из источника света 1  ртутной лампы и конденсорной осветительной линзы. В качестве источника света может быть использована дуга между металлическими электродами – ДГ-2. В этом случае применяется трёхлинзовая конденсорная система (рис.2).

Изучаемый спектрограф ИСП-28 предназначен для работы в ультрафиолетовой области спектра. Стекло в данном случае непригодно из-за сильного поглощения ультрафиолетового излучения. Прозрачным материалом служит кварц. Поэтому призма и линзы камерного объектива сделаны из кварца, линзы трехлинзового конденсора тоже из кварца.

Рис. 2. Осветительная система для спектрографа ИСП-28: 1  источник света; 2-4  конденсорные линзы; 5  щель спектрографа

При изготовлении призмы из кварца приходится принимать во внимание наличие в кварце двойного лучепреломления. Во избежание мешающего действия двойного лучепреломления призма вырезается из кристалла кварца таким образом, чтобы оптическая ось лежала в главном сечении призмы параллельно основанию призмы. Тогда лучи, проходящие через призму под наименьшим углом отклонения, а следовательно, и параллельно её основанию, не дают двойного лучепреломления. Лучи же, проходящие призму под другими углами, разделяются на два: обыкновенный и необыкновенный, что ведет к раздвоению изображения спектральных линий, даваемых спектрографом. Однако для лучей, проходящих вблизи минимума отклонения, это раздвоение настолько мало, что незаметно. Кварц отличается способностью не только давать двойное преломление света, но и вращать плоскость поляризации света. Во избежание раздвоения линий, связанного с этим вращением, призма (рис. 3.) обычно склеивается из двух половин, из которых одна делается из правовращающего кварца (1), а другая – из левовращающего (2).

В изучаемом приборе призма Корню имеет преломляющий угол 60, основание призмы АС = 47 мм.

На широком конце корпуса спектрографа смонтирована кассетная часть. Кассета прибора крепится на рамке кассетной коробки с помощью клиновых зажимов. Кассета открывается при зарядке в одну сторону, а перемещается при последовательных

В

А

С

D

1

2

Рис. 3. Призма Корню: 1  правовращающий кварц; 2 – левовра щающий кварц

снимках по колонке кассетной части с помощью маховичка. Можно управлять движением кассеты и со стороны щелевого механизма с помощью того же маховичка, что удобно в работе.

Время экспозиции в приборе ИСП-28 может регулироваться затвором, находящимся за щелью. Выключатель затвора выведен на корпус прибора.

Барабан на щели служит для изменения ширины щели, которое производится с точностью до 0,001 мм. В настоящей работе ширина щели 0,006-0,010 мм. Для устранения ошибки, связанной с мертвым ходом барабана, рекомендуется вращать ее в одну сторону. Под щелью имеется механизм юстировки объектива.

Для выполнения данной работы необходимо сфотографировать спектры эталонного и исследуемого веществ. Чтобы спектры снимались на одной пластинке и при переходе от известного спектра к исследуемому не приходилось смещать пластинку, пользуются специальной диафрагмой с фигурным вырезом  диафрагмой Гартмана (рис. 4). Она устанавливается перед щелью спектрографа в специальной оправе и может перемещаться в направлении, перпендикулярном оси спектрографа. С помощью подобной диафрагмы можно не только ограничить высоту щели, но и осветить различные ее участки. В данной работе диафрагма служит для ограничения по высоте размеров изображения спектра, получаемого на фотопластинке. Если при пользовании

Рис. 4. Диафрагма Гартмана (фигурная диафрагма)

этой диафрагмой перед щелью установлена левая часть выреза, то средняя часть щели открыта, верхняя и нижняя части закрыты. Положение выреза относительно щели контролируется верхней шкалой, нанесенной на диафрагме. Одно деление шкалы соответствует высоте щели 1,2 мм.

Если перед щелью установлена правая часть выреза, то открыта верхняя и нижняя части щели, средняя  закрыта. Положение выреза относительно щели контролируется в этом случае правой нижней шкалой. Отсчёты по обеим шкалам читаются против края корпуса щели.

Фигурный вырез позволяет снимать в средней части щели (левая часть выреза) спектр сравнения, а сверху и снизу от него (правая часть выреза)  спектр исследуемого вещества. Оба выреза при этом устанавливаются по шкале на одно и то же деление. В данном случае оба выреза следует устанавливать на деление 4. Такой способ съёмки двух спектров позволяет совместно их компарировать без введения каких-либо поправок на взаимное смещение спектров, связанное с перемещением кассеты.

Спектрограф ИСП-28 снабжен миллиметровой шкалой, ко

торая может быть непосредственно впечатана на фотографическую пластинку одновременно со спектром. Эта миллиметровая шкала в свою очередь должна быть градуирована в единицах длин волн при помощи спектра-эталона. Обычно в качестве такого стандартного эталонного спектра используется спектр железа, обладающий большим числом спектральных линий, длины волн которых измерены с большой точностью (до 3-го и 4-го десятичных знаков).

Порядок выполнения работы

Задание № 1. Получение спектрограмм

Работу следует начать с ознакомления с устройствами осветительных систем. Прежде всего необходимо научиться правильно освещать входную щель прибора, что весьма важно для получения хорошего качества спектра.

Для освещения входной щели спектрографа в обоих вариантах данной работы используется трехлинзовая осветительная система (см. рис. 2). Линзы осветительной системы, укреплённые в рейтерах, установлены на определенных расстояниях, как показано на рис. 2. Менять положение линз трехлинзового конденсора произвольно студентам запрещается.

Линза 2 дает резкое изображение источника света 1 на линзе 3, а линза 3 изображает линзу 2 на входной щели 5 спектрографа и таким образом уничтожает виньетирование пучков лучей на щели прибора. Линза 4 надевается непосредственно на входную щель 5 и применяется для устранения виньетирования на оправе объектива коллиматора. Ее положение регулируется барабаном под щелью. После ознакомления с прибором следует приступить к съемкам известного спектра и спектра исследуемого вещества. Работу можно выполнять в одном из двух предлагаемых вариантов на разных установках.

В первом варианте снимается в качестве эталонного спектр железа, а исследуемым является спектр меди и латуни. Во втором, упрощенном варианте снимаются спектры ртути (эталонный спектр) и натрия (исследуемый спектр). В данном случае работа производится по первому варианту. Для получения спектров используется дуга между железными (медными, алюминиевыми) электродами.

Приступая к работе, прежде всего нужно приготовить электроды: удалить окислы на их концах; выточить концы на конус, оставляя на вершине плоскую площадку; вставить в держатели специального штатива. Расстояние между концами электродов 57 мм.

Источник света устанавливается на оси спектрографа. Правильность установки электродов проверяется по положению изображений электродов на диафрагме перед второй линзой трехлинзового конденсора. Причём для получения изображения электродов на диафрагме в качестве источника света используют лампу накаливания, вмонтированную в штатив. Отчетливое изображение электродов на диафрагме должно быть симметричным относительно отверстия в ней. Если это условие не выполнено, то электроды перемещают относительно первого конденсора, пользуясь винтами штатива или передвигая электроды вручную. Во время фокусировки электродов нельзя изменять положение конденсора на оптической оси. После установки электродов с помощью специального стандартного генератора ДГ-2 зажигается дуга. Щель спектрографа закрывается крышкой с крестообразной маркой в круге, которая при правильной установке дуги должна быть освещена равномерно. Если это условие не выполнено, то, следовательно, нарушена правильная установка трёхлинзового конденсора. При помощи барабана вверху входной щели устанавливают нужную ширину щели, указанную на рабочем месте (0,0100,015 мм).

Фотопластинки заряжаются в фотокабине при темно-красном свете и кладутся эмульсией вниз на нижние пазы кассеты. Положение фотопластинки должно быть строго горизонтальным относительно шторки. Зарядив кассету, необходимо проверить, плотно ли закрыта крышка кассеты.

Заряженную кассету вставляют в кассетную рамку спектрографа и закрепляют при помощи клиновых зажимов. Устанавливают кассету на деление 45, затем выдвигают вправо шторку кассеты при закрытом положении заслонки спектрографа.

Устанавливают диафрагму с фигурным вырезом, помещенную перед щелью спектрографа, на деление 4 по нижней её шкале. При этом спектр эталонного вещества (спектр железа) фотографируется в верхней и нижней частях снимка. Теперь установка полностью подготовлена к проведению снимка.

Зажигают дугу, снимают крышку на щели спектрографа и проводят съёмку спектра эталонного вещества, используя заслонку после щели, которую необходимо поставить в положение "открыто". После этого закрывают заслонку спектрографа и выключают генератор дуги полностью из сети. Специальными щипцами вынимают электроды эталонного вещества и вместо них вставляют электроды исследуемого вещества.

Вновь устанавливают дугу на оси спектрографа (эта установка делается при закрытом положении заслонки). Диафрагму с фигурным вырезом ставят на деление 4 по верхней шкале, причём спектр исследуемого вещества получится в середине снимка.

Не трогая кассету, открывают заслонку и производят съёмку исследуемого вещества. Выключают дугу.

Спектр железа снимают согласно табл. 1.

Таблица 1

Положение кассеты	Элемент	Время экспозиции
45	Fe	5
44	Fе	10
43	Fe	20
41	Fe	10
39	Fe	10
37	Fe	10

Cпектр меди и алюминия снимают согласно табл. 2.

Таблица 2

Положение кассеты	Элемент	Время экспозиции
42	Сu	10
40	Сu	20
38	Аl	10
36	Al	20

Получив последний снимок, шторку кассеты задвигают и кассету вынимают. Фотопластинку проявляют в фотокабине при красном свете. Время проявления зависит от типа пластинки и указано на рабочем месте. Время закрепления (фиксирования) не менее 510 мин.

Внимание! После проявления фотопластинку следует в обязательном порядке тщательно промыть холодной проточной водой в течение 34 мин., а затем положить в закрепитель. После закрепления фотопластинка снова промывается проточной холодной водой в течение 510 мин. и сушится у вентилятора.

Задание № 2. Градуировка спектрографа

Для выполнения задания используют один из полученных снимков спектра железа, наиболее подходящий по почернению.

Пластину кладут на столик компаратора Аббе, находят 4 линии железа, соответствующие длинам волн 4870 Å, 4890 Å, 4920 Å, 4955 Å (часть спектра, содержащая эти линии, изображена на 21 планшете атласа спектральных линий для кварцевого спектрографа ИСП-28).

Считайте любую из этих линий опорной, сделайте отсчёт по компаратору координаты выбранной линии, длину волны определите по 21 планшету. На каждом планшете выбирайте 5 линий железа, находите их на пластинке, делайте отсчёт по компаратору. Последовательно переходите от 21 планшета к 17. Для каждой выбранной линии в спектре железа записывайте длину волны (см. соответствующий планшет) и координату на пластинке, данные занесите в табл. 3.

Таблица 3

Номер планшета атласа	Длина волны  (Å)	Отсчёт по компаратору (мм)

На миллиметровой бумаге постройте кривую, откладывая по оси абсцисс результаты измерений на компараторе, а по оси ординат  длины волн (в Å). Соединяя точки плавной кривой, получите кривую, которая называется градуировочной кривой шкалы спектрографа.

Задание № 3. Вычисление и измерение линейной дисперсии спектрографа

Одна из основных количественных характеристик спектрального прибора  угловая дисперсия и связанная с ней линейная дисперсия.

Линейная дисперсия играет весьма важную роль в ряду характеристик, так как определяет возможность применения данного спектрального аппарата для фотографирования спектров различной сложности. Кроме того, линейная дисперсия характеризует реальную разрешающую способность прибора.

Дисперсией спектрального прибора называется спообность различно отклонять лучи разных длин волн так, чтобы они выходили из диспергирующего прибора под различными углами и фокусировались в различных местах фотопластинки. Угловой дисперсией называется отношение

где d  разность углов выхода для лучей, длины волн которых отличаются на d, рад/ Å.

Угловая дисперсия определяет угловое расстояние d, создаваемое призменной системой прибора между двумя лучами с близкими длинами волн.

Если фокусное расстояние камерного объектива равно f₂, то имеем следующее соотношение:

или

т.е. линейная дисперсия, равная угловой дисперсии, умноженной на фокусное расстояние камерного объектива, определяет линейный размер интервала спектра шириной в 1 Å .

На рис. 5 показан ход лучей после прохождения призмы для двух длин волн:  и  + d; d  угловое расстояние между ними; dl  соответствующее ему линейное расстояние в фокальной плоскости объектива камеры.

Рис. 5. Определение линейной дисперсии призмы

Из треугольника АВС видно, что если фокальная плоскость камерного объектива составляет с оптической осью объектива камеры угол , то расстояние на фотопластинке между спектральными линиями

dl'= .

Таким образом, в этом случае линейная дисперсия.

.

На практике для характеристик спектрографов вместо линейной дисперсии часто употребляют обратную ей величину, называемую обратной линейной дисперсией, определяющую величину интервала длин волн, измеряемого в ангстремах, приходящегося на 1 мм длины спектра:

.

Найдем формулу для линейной дисперсии спектрографа. Для этого рассмотрим подробнее прохождение света через призму (рис. 6). Падая на призму, лучи испытывают два преломления и в результате отклоняются на угол . Если принять обозначения углов, которые даны на рис. 6, нетрудно показать, что угол отклонения  = ₁ +₂ - A. В случае, когда луч проходит призму симметрично, т.е. когда ₁=₂, ₁=₂=A/2, угол отклонения  будет меньше, чем для любого другого угла падения. Тогда говорят, что призма установлена под углом наименьшего отклонения. Угол наименьшего отклонения связан с показателем преломления n вещества призмы и преломляющим углом А призмы формулой

n = . (3)

Условие минимума угла отклонения соответствует наилучшему качеству изображения спектра (минимуму астигматизма), поэтому оптика спектрографов обычно юстируется возможно ближе к положению наименьшего угла отклонения. При данном

Рис. 6. Преломление лучей в плоскости главного сечения призмы (а) и прохождение света через призму в условиях минимума отклонения (б)

положении призмы это условие соблюдается только для одной длины волны. Обычно призму устанавливают в положение наименьшего угла отклонения для длины той волны, которая распространяется параллельно оптической оси камеры.

Спектрограф ИСП-28 установлен на минимум угла отклонения для света длины волны  = 2573 Å. Рассмотрим дисперсию призмы вблизи угла наименьшего отклонения. При этом _min в дальнейшем обозначим через . Из формулы (3) следует, что

.

Учтем, что

при и .

В результате имеем

Отсюда получим следующие равенства:

для угловой дисперсии призмы –

(4)

для линейной дисперсии призмы –

. (5)

Если учесть наклонное положение кассеты, то для угловой дисперсии призмы

. (6)

Надо иметь в виду, что формула строго выполняется для длины волны, соответствующей минимуму угла отклонения, но фактически она верна для d 810.

По формуле (5) или (6) можно подсчитать линейную дисперсию для любой длины волны и построить кривую зависимости

Воспользуемся формулой (5) для того, чтобы по измеренной линейной дисперсии спектрографа dl/d определить неизвестную нам дисперсию материала, из которого сделана призма dn/d. Эта величина необходима для вычисления разрешающей силы прибора.

При произвольном прохождении лучей через призму для угловой дисперсии призмы справедливо соотношение

, (7)

где ₂ и ₁  углы преломления на первой и второй гранях призмы; для линейной дисперсии призмы получается формула

. (8)

Линейная дисперсия прибора, таким образом, зависит от преломляющего угла призмы А, вещества призмы n и прямо пропорционально фокусному расстоянию f₂. Существенную роль играет также угол , который в свою очередь определяется степенью ахроматизации объективов коллиматора и камеры.

С точки зрения получения большой линейной дисперсии лучше применять неахроматические объективы, так как в этом случае угол  имеет наименьшее значение.

Практически для спектрографа ИСП-28 вычисляют теоретические значения линейной дисперсии для ультрафиолетовой и видимой областей спектра. Измерения проводятся в области 2300-6000 Å.

Для вычисления теоретических значений линейной дисперсии используется формула (6); данные для А и f₂ необходимо взять из описания спектрографа или табл. 4; значения показателя преломления для кварца приведены в табл. 5.

Измерения величин dl/d или d/dl необходимо провести для разных длин. Для этого на пластинке следует отметить тонким чертёжным пером с помощью лупы пары спектральных линий, между которыми затем будет измеряться линейная дисперсия. Отметки следует наносить так, чтобы спектральные линии, входящие в измеряемую пару, находились на расстоянии 1 мм одна от другой, а пары друг от друга отстояли на 78 мм.

Пользуясь атласом спектральных линий, находят длины волн этих линий с точностью до 0,01 Å, а на компараторе Аббе измеряют расстояния между парами с точностью до 0,01 мм.

Результаты измерений и вычислений необходимо изобразить графически, откладывая по оси абсцисс значения  , а по оси ординат значения дисперсии в ангстремах на миллиметр.