Применение законов теплового излучения

Применение законов теплового излучения

Для измерения высоких температур.

Описание установки

 

Приборы и принадлежности: оптический пирометр, электрическая лампа, электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Схема установки приведена на рис. 2 Объектом исследования является

 

Рис. 2

 

нить накаливания электрической лампочки Л, напряжение на которой можно менять потенциометром П (при этом изменяется температура накала). Температура нити лампы измеряется оптическим пирометром с исчезающей нитью, в котором сравниваются излучения исследуемого раскаленного тела и абсолютно черного тела в одном спектральном участке. Пирометр схематически изображен на рис. 3.

 

Рис. 3

 

Основной частью пирометра является лампа накаливания 1 с горизонтальной нитью, расположенной в фокусе объектива 2. Этот же объектив фокусирует лучи, идущие от исследуемого объекта, расположенного достаточно далеко. Можно поэтому считать, что в фокальной плоскости объектива изображение исследуемого тела накладывается на нить лампы накаливания 1. Наблюдая через окуляр 3, регулируют силу тока в нити до тех пор, пока нить не исчезнет на фоне изображения тела. В этом случае яркости нити и изображения исследуемого тела в спектральном участке ∆λ, пропускаемом светофильтром 4, совпадают между собой. Равенство яркостей нити и изображения исследуемого тела означает равенство их испускательных способностей (в интервале ∆λ).

Предварительной градуировкой при наблюдении искусственного абсолютно черного тела установлено, каким температурам соответствует сила тока в нити пирометра в момент совпадения яркостей нити и изображения абсолютно черного тела. Поэтому мы получаем возможность судить, какой температуре абсолютно черного тела соответствует излучение наблюдаемого тела. Найденная температура является яркостной.

Для расширения пределов измерения температур пирометр имеет ослабляющий светофильтр 5, включаемый исследователем. Исследование этого светофильтра позволяет при измерении температур от 1400ºС до 2000ºС ослабить излучение излучаемого тела и пользоваться более низкими температурами нити лампы пирометра, что существенно увеличивает ее долговечность.

Корпус пирометра (рис. 4) состоит из камеры 1 и рукоятки 2. Камера зак-

 

Рис. 4

 

рывается крышкой 3, имеющей ручку 4, для регулирования напряжения (силы тока) реохорда электроизмерительной системы прибора. Стрелка 5 указывает направление поворота ручки 4, соответствующее увеличению силы тока пирометрической лампы. В верхней части камеры находится узел окуляра 6 с красным фильтром и узел объектива 7, а также узел переключателя диапазонов 8. В нижней части камеры находится светодиодный индикатор 9 разряда аккумуляторной батареи. Внутри рукоятки 2 прибора размещен блок питания, который закрыт крышкой 10. (Крышку блока не вскрывать!) Здесь же находится кнопка включения прибора 11.

 

Производство работы

 

Задание №1. Определ ение зависимости температуры накала нити электрической лампы от подаваемого на лампу напряжения.

1. Перед выполнение работы проверить собранную (по рис. 2) электрическую схему, предназначенную для питания лампы.

2. Установить пирометр перед измеряемым объектом. Ручку переключателя диапазонов 8 (рис. 4) установить в положение 1, что позволит использовать диапазон измерения температур 800-1400ºС (т. е. шкалу 1 на передней панели прибора).

3. При помощи потенциометра П (рис. 2) установить минимальное напряжение (60 В) накала исследуемой лампы.

4. Поместить средний палец левой руки на кнопку включения 11; нажатием пальца включить пирометр. Поворачивая правой рукой ручку 4 (рис. 4), добиться равенства яркостей фона и горизонтальной нити пирометрической лампы. При этом часть нити исчезает на фоне. Затем без промедления отключить пирометр, отпустив кнопку 11 (рис. 4). Только после отключения пирометра снять показания со шкалы температур (t ºС). Данные записать в таблицу.

5. Увеличивая напряжение на исследуемой лампе через каждые 20 В от 60 В до 220 В, всякий раз произведя замеры температуры (t ºС) согласно пункту 4. Данные заносить в таблицу.

6. Построить график зависимости T=f(U).

Таблица

№ п/п	U, В	t ºС	Т, К	Т^4, К^4	R^*T=σ T^4, Вт/м^2	λm=b/T, м (мкм)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.	60 80 100 120 140 160 180 200 220

 

Задание №2. Проведение экспериментальной проверки закона Стефана-Больцмана.

1. Рассчитать по формуле (9) R^*_T для некоторых значений температур (Т, К). Получить не менее трех значений, результаты записать в таблицу.

2. Построить график зависимости R^*_T= f(T⁴). По характеру кривой сделать заключение об экспериментальной проверке закона.

Задание №3. Проведение экспериментальной проверки закона Вина.

1. По формуле (10) рассчитать длины волн λ_m для тех значений температур, которые были выбраны в задании 2. Результаты занести в таблицу.

2. Построить график зависимости λ_m = f(T). На основании графика сделать заключение о характере «смещения» λ_m с ростом температуры.

 

Контрольные вопросы

 

1. Дать определение, что называется тепловым излучением. Тепловое излучение, как один из способов изменения внутренней энергии. Применимы ли законы термодинамики к тепловым излучению? Люминисценция.

2. Какие физические величины применяются для описания теплового излучения (формулы по определению)?

3. Закон Кирхгофа (формула). Абсолютно чёрное тело (определение).

4. Законы теплового излучения.

5. Решить задачу.

 

 

Описание установки

 

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент, источник постоянного тока (высоковольтный выпрямитель), микроамперметр до 100 мкА, амперметр до 1А, вольтметр до 150 В, регулятор напряжения (РНШ), сопротивление (на 5 кОм), источник света (лампа накаливания), оптическая скамья.

 

На оптической скамье размещены и могут перемещаться лампа накаливания 1 в кожухе и вакуумный фотоэлемент 2 в кожухе (рис. 5). Лампа накаливания питается переменным током от городской сети через регулятор напряжения РНШ, на передней панели которого расположена шкала вольтметра; в цепь лампы включен амперметр А до 1 Ампера. К фотоэлементу подводится напряжение от высоковольтного выпрямителя ВВ. В цепь фотоэлемента включены вольтметр V, микроамперметр мкА и потенциометр П. Расстояние l между фотоэлементом и лампой определяется по шкале оптической скамьи.

 

Рис. 5

 

 

Производство работы

Задание №1. Снятие вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента: I _ф = f (V _ф).

3. Поставить фотоэлемент в правой части оптической скамьи на 90-м делении, а лампу на расстоянии l ₁ = 45 см от фотоэлемента.

4. Закрыть отверстие в кожухе фотоэлемента. При выключенной лампе включить фотоэлемент, постепенно с помощью потенциометра увеличивая напряжение на фотоэлементе от 0 до 150 В; убедиться, что ток в цепи фотоэлемента не идет, если фотоэлемент не освещается.

5. Поставить подвижный контакт потенциометра в цепь фотоэлемента так, чтобы на фотоэлемент подавалось минимальное напряжение (практически равное нулю).

6. Открыть заслонку в кожухе фотоэлемента. Подать на лампу максимальное напряжение (200 В), вращая рукоятку на верхней панели РНШ.

7. При помощи потенциометра медленно повышать напряжение на фотоэлементе (до максимального – 150 В) и через каждые 20 В отмечать то по микроамперметру. Данные записать в таблицу 1.

8. Закрыть заслонку в кожухе фотоэлемента, снять напряжение на фотоэлементе. Поставить лампу на расстоянии l ₂ = 35 см; напряжение на лампе – 200 В.

9. Открыть заслонку в кожухе фотоэлемента и проделать все действия, указанные в пункте 5.

10. По данным таблицы 1 построить (в одних координатных осях) график зависимости силы тока I_ф от напряжения V_ф для двух значений светового потока Ф₁ и Ф₂, которые подсчитываются по формуле:

Ф=(W/4π l ²) S,                                                     (6)

где W = I_л V_{л —} мощность лампы, Вт;

  l – расстояние между фотоэлементом и лампой, м;

  S = πd²/4 – площадь освещаемой поверхности фотоэлемента, м²;

       d = 32 мм.

11. Изучив построенные графики, сделать вывод о зависимости фототока насыщения от величины светового потока.

 

 

Таблица 1

№ п/п	Расстояние от лампы до фотоэлемента l м	Показатели лампы		Показатели фотоэлемента		Световой поток Ф Вт или лм	Чувствительность фотоэлемента γ мкА/лм
		напряжение Vл В	сила тока Iл А	напряжение Vф В	сила тока Iф А
1.	0,45	200		0 20 40 60     150		Ф1 =
2.	0,35	200		0 20 40 60     150		Ф2 =

Задание №2. Определение чувствительности вакуумного фотоэлемента.

3. Подсчитанные в задании 1 по формуле (6) световые потоки Ф₁ и Ф₂ измеряются в Ваттах (Вт). Для достижения цели в задании 2 Ф₁ и Ф₂ перевести в люмены (лм) учитывая, что:

1 лм = 0,0016 Вт.

Величина М = 0,0016 Вт/лм называется механическим эквивалентом света: он определяет мощность, необходимую для получения светового ощущения, вызванного потоком в 1 люмен, и измеряется для длины волны λ = 555 нм, которая соответствует максимуму чувствительности глаза. Рассчитав световой поток в люменах, записать данные в таблицу 1 вместе с его значением в Ваттах.

4. Чувствительность фотоэлемента определяется по формуле:

γ = I₀/Ф,                                                         (7)

где I₀ — фототок насыщения, мкА, определен в задании 1;

Ф — световой поток, лм, рассчитан в п. 1 задания 2.

5. По формуле (7) рассчитать γ₁ и γ₂, а затем γ_ср:

γ_ср = (γ₁ + γ₂)/2.

Численное значение γ_ср записать в таблицу 1.

 

Задание №3. Снятие световой характеристики вакуумного фотоэлемента: I _ф = f (Ф).

1. Закрыть заслонку в кожухе фотоэлемента. Снять напряжение на лампе.

2. Установить лампу и фотоэлемент на расстоянии l ₁ = 45 см друг от друга.

3. С помощью потенциометра установить на фотоэлементе напряжение 150 В и открыть заслонку в кожухе фотоэлемента.

4. Медленно изменять напряжение на лампе рукояткой на верхней панели РНШ от 0 до 200 В, отмечая силу тока в цепи лампы I_л по амперметру и в цепи фотоэлемента I_ф по микроамперметру через каждые 20 В напряжения на лампе V_л. Данные записать в таблицу 2.

5. Закрыть заслонку в кожухе фотоэлемента и снять напряжение на лампе и фотоэлементе.

6. Установить лампу и фотоэлемент на расстоянии l ₂ = 35 см друг от друга.

7. Проделать все действия, указанные в п. 3, 4, 5.

8. Световой поток для каждого напряжения на лампе и соответствующей ему силе тока рассчитать по формуле (7). Расчетные данные записать в таблицу 2.

9. По данным таблицы 2 построить (в одних координатных осях) график зависимости силы тока I_ф от светового потока Ф для двух значений l ₁ = 45 см и l ₂ = 35 см.

10.  Изучив построенные графики, сделать вывод о зависимости силы фототока от светового потока.

Таблица 2

№ п/п	Расстояние от лампы до фотоэлемента l м	Показатели лампы		Показатели фотоэлемента		Световой поток Ф Вт или лм
		напряжение Vл В	сила тока Iл А	напряжение Vф В	сила тока Iф мкА
1.	0,45	0 20 40 60 и т.д.		150
2.	0,35	0 20 40 60 и т.д.		150

 

Контрольные вопросы

1. Дать определение, что называется фотоэффектом. Виды фотоэффекта (назвать их и пояснить). Что такое фотоэлектронная эмиссия, фотопроводимость? Что собой представляют фоторезисторы, вентильные фотоэлементы? На чем основано действие солнечных батарей?

2. Описать опыт Столетова.

3. Законы внешнего фотоэффекта. Фототок насыщения. Красная граница фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.

4. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Чувствительность фотоэлемента.

5. Решить задачу.

 

 

Фотометрический метод определения концентрации

Окрашенных растворов.

Описание установки

 

Приборы и принадлежности: фотоэлектрический калориметр (типа ФЭК – 56М), три одинаковых кюветы (расстояние между рабочими гранями 10 нм), растворы исследуемого вещества различной концентрации, сосуд с дистиллированной водой (для ополаскивания кювет при смене в них исследуемых растворов), фильтровальная бумага.

 

Упрощённая оптическая схема ФЭКа, позволяющая понять принцип работы прибора, изображена на рис.2.

 

Рис. 2

 

Свет от источника «ИС», пройдя через светофильтр «8», попадает на призму «7», которая делит его на два пучка: левый и правый. Световые пучки отразившись от зеркал «6», проникают в кюветы «4» с исследуемыми жидкостями. В правый световой пучок могут включаться последовательно две кюветы (с раствором и растворителем). В левый световой пучок помещают кювету с растворителем (дистиллированной водой) на всё время работы. Световые пучки, вышедшие из кювет, отражаются от зеркал «3» и падают на одинаковые фотоэлементы «2», где световой сигнал преобразуется в электрический, который регистрируется гальванометром «1». Чтобы достигнуть равенства интенсивностей I_лев и правого I_пр световых потоков

(I_пр = I_лев, при этом гальванометр покажет отсутствие тока, т. е. 0) интенсивности световых потоков меняют путём сужения и расширения диафрагм «5» и «11». Эти диафрагмы связаны с отсчётными барабанами, на которых нанесены две шкалы: чёрная – называется шкалой светопропускания (по ней отсчитывается коэффициент пропускания τ в процентах); красной – соответствует оптической плотности D. Обе шкалы связаны между собой соотношением (6).

Электрическое обеспечение ФЭКа осуществляется через блок питания, после включения которого измерения можно начинать спустя 20 – 30 минут.

 

Производство работы

 

Задание №1. Подготовить ФЭК к работе (рис. 3).

 

Рис. 3

 

1. Включить блок питания «БП»: вилку включить в городскую электросеть, тумблер поставить в положение «ВКЛ». Выбрать один из двух источников света: РН 8 – 35 или СВД – 120 А. Измерения проводить только через 30 минут после включения прибора.

2. Приготовить для работы 3 одинаковых кюветы, рабочие поверхности которых протереть чистой фильтровальной бумагой. Две (2) кюветы наполнить дистиллированной водой не ниже метки на боковой стенке кювет; после чего установить одну кювету в левый кюветодержатель «10» (на всё время работы), а вторую – в одно из «гнёзд» правого кюветодержателя (на всё время работы). Нельзя касаться пальцами рабочих граней кювет (ниже уровня жидкости).

3. Рукоятка «14» - «чувствительность» - должна находиться в одном и том же положении в течении всего производства работы!

4. Установить электричкский «нуль» прибора. Для этого с помощью рукоятки «13» световые пучки перекрывают шторкой (крайнее правое положение рукоятки) Рукояткой «15» установить стрелку микроамперметра «1» на 0. Вращать рукоятку «15» в процессе измерений нельзя!

5. Установить в рабочее положение светофильтр с маркировкой 0 (это соответствует излучению с длиной волны красного света λ = 630 нм), включение которого достигается поворотом диска «16» так, чтобы цифра «8» стояла у метки (белая точка).

 

Задание №2. Исследовать зависимость оптической плотности от концентрации раствора.

1. Свободную кювету наполнить до метки 10%- мм раствором и поместить её во второе «гнездо» правого кюветодержателя.

2. Поворотом диска «4» в правый пучок света ввести исследуемый раствор, закрыть крышку «12» прибора.

3. Измерить оптическую плотность исследуемого раствора:

– индекс правого барабана «5» установить на отсчёт 0 на красной шкале оптической плотности (или 100 на чёрной шкале светопропускания),

– открыть шторку светового окна рукояткой «13» (положение «открыто»),

– вращением левого барабана «11» поставить стрелку микроамперметра «1» на 0,

– вращением диска «4» заменить в правом пучке кювету с раствором кюветой с растворителем – дистиллированной водой,

– вращением правого барабана «5» вернуть стрелку микроамперметра «1» на 0,

– прочитать значение оптической плотности (D) раствора на красной шкале «17»

4. Измерение оптической плотности (D) раствора повторить три раза, вычислить среднее арифметическое значение D_i и записать все данные в таблицу.

5. Шторку закрыть – рукоятку «13» поставить в крайнее правое положение. Открыв крышку «12» измерительной камеры, вынуть кювету с исследуемым раствором и перелить её в колбу. Кювету сполоснуть дистиллированной водой.

6. В правый пучок света поочерёдно помещать растворы различной концентрации (20%, 30%. 40%. 50%. 60%) и измерить оптическую плотность этих растворов согласно п.п. 2 – 5.

7. Построить график зависимости D_i = f (c)

8. Сделать вывод о выполнении закона Бугера – Ламберта – Бера (формула 11).

 

Задание №3. Определить неизвестную концентрацию раствора.

1. В правый световой пучок поочерёдно помещать кювету с исследуемыми растворами неизвестной концентрации С_I и С_II.

2. Измерить оптическую плотность данных растворов согласно п.п. 2 – 5 задания «2»

3. По построенному в задании №2 графику определить концентрацию С_I и С_II.

 

Задание №4. Определить мопярный коэффициент поглощения для водного раствора.

1. Из закона Бугера – Ламберта - Бера записать расчётную формулу для молярного коэффициента поглощения:

2. По формуле (12) рассчитать коэффициент _i для каждого раствора, где

ℓ = 10 нм; D – среднее значение оптической плотности  для соответствующей концентрации C (данные для расчётов взять в таблице измерений).

3. Определить молярный коэффициент поглощения:

где i – номер раствора, n = 8 (см. таблицу),

2) абсолютная погрешность отдельных измерений

3) средняя арифметическая погрешность результата

4) ответ  .

4. Расчёты записать в таблицу.

Таблица

Номер р-ра	c, %	Показания ФЭКа
		D1	D2	D3
1	10
2	20
3	30
4	40
5	50
6	60
7	СI
8	СII

 

Контрольные вопросы

1. Интенсивность света. Природа поглощения света.

2. Спектры поглощения света светочувствительными пигментами растительной клетки: хлрофиллами, фикобилинами, каротиноидами. Назовите группы соединений для каждого типа пигментов, а также их максимумы поглощения.

3. Парниковый эффект. Коэффициент пропускания, оптическая плотность, коэффициент поглощения, молярный коэффициент поглощения (экстинкции) – формулы по определению.

4. Закон Бугера-Ламберта. Характер поглощения света в зависимости от интенсивности света и слоя вещества толщиной х, привести формулу и график.

5. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

6. Решить задачу.

 

Поглощение света

 

Явление поглощения света объясняется на основе как классической, так и квантовой теории.

Классическая теория объясняет поглощение следующим образом. Под действием поля световой волны электроны атомов и молекул совершают гармоническое колебательное движение. Колеблющийся электрон, превращаясь в источник, сам излучает вторичные волны. В результате интерференции падающей волны со вторичной в среде возникает волна с амплитудой, отличной (меньшей) от амплитуды вынуждающего поля. Таким образом, не вся поглощённая атомами и молекулами среды энергия возвращается в виде излучения – произойдёт поглощение. Поглощённая энергия может превратиться в другие виды энергии (например, в энергию хаотического движения – тепловую).

Согласно квантовой теории, атомы и молекулы обладают не непрерывными, а дискретными значениями энергии (основное и возбуждение состояния). При распространении света через среду часть энергии тратиться на возбуждение системы, а часть выходит из среды (вместе с возвращённой долей энергии за счёт переходов из возбуждённых состояний в основе).

Интенсивность света, прошедшего через вещество I, уменьшается согласно закону Бугера:

где I₀ – начальная интенсивность света,

  d – толщина слоя вещества,

  α – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ₀ света,

  e – основание натурального логарифма.

Физический смысл коэффициента поглощения можно установить из формулы (14) закона Бугера, если приравнять: α = . Тогда I = I₀e ^–d/d = I₀/e, т.е. коэффициент поглощения α численно равен толщине слоя. После прохождения которого интенсивность света уменьшиться в e = 2,72 раза. (λ_погл)

Коэффициент поглощения есть функция длины волны α = f(λ₀). Для некоторых веществ эта функция имеет сложный характер, обнаруживая узкие области сильного поглощения. Максимумы поглощения находятся на тех участках спектра, где происходит аномальная дисперсия света, что графически изображено на рисунке 5; здесь дана зависимость показателя преломления n от длины волны λ₀.

 

Рис. 5

 

Участок 3-4 аналогичен кривой, приведенной на рис. 1. Участки 1-2 и 3-4 соответствуют нормальной дисперсии (dn/dλ₀<0). На участке 2-3 дисперсия аномальна (dn/dλ₀>0). На этот участок приходится максимум поглощения (пунктирная кривая). График поглощения света имеет вид резонансной кривой. Область резкого возрастания поглощения света (λ_погл) соответствует частоте собственных колебаний электронов в атомах, а для сложных веществ - частоте собственных колебаний электронов в молекулах.

 

Светофильтры

 

Светофильтры часто используются для выделения желаемой области спектра. Широко применяются для получения приблизительно монохроматического излучения при фотохимических и фотобиологических исследованиях и для уменьшения влияния рассеянного света или поглощения нежелаемой длины волны в диспергирующих системах. Наиболее распространены фильтры с избирательным поглощением.

Избирательно-поглощающие светофильтры бывают твердые, жидкостные и газовые. Наиболее удобными из них являются твердые. В качестве светофильтров для видимой области спектра могут быть использованы многие сорта окрашенных стекол, обладающих избирательным поглощением. Несколько в меньшей степени такие стекла пригодны для выделения определенных спектральных участков в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях спектра. Твердые фильтры могут быть изготовлены также растворением поглощающих веществ в желатине или адсорбцией на целлофане. Желатин или целлофан часто помещают между защитными стеклянными пластинками.

 

Цель работы: изучить спектры поглощения.

 

Описание прибора

Для изучения спектров пользуются спектроскопом.

Двухтрубный спектроскоп призменного типа состоит из трех узлов (рис. 6): коллиматора А со щелевым устройством S, призмы Б и зрительной трубы В. В фокальной плоскости объектива О₁ находится узкая щель S, длина которой перпендикулярна плоскости рисунка. Щель освещается исследуемыми лучами. Выходящие из объектива параллельные лучи проходят через призму. Из призмы лучи различных цветов выходят под разными углами, вследствие различия длин волн: красные отклоняются на меньший угол, фиолетовые имеют наибольшее отклонение. Все лучи других цветов проходят в промежутке между крайними цветами. Объектив О2 собирает выходящие из призмы параллельные между собой лучи в одну точку фокальной плоскости. В этой плоскости лучи одного цвета дают изображение узкой щели S. Геометрическое место всех изображений, даваемых различными лучами, входящих в состав исследуемого пучка, называется дисперсионным (призматическим) спектром данного излучения. Для увеличения спектра применяют окуляр О₃ – лупу.

 

Рис. 6

Внешний вид спектроскопа изображен на рис. 7. На треножной устойчивой подставке 1 закрепляется стойка 2. На столике 3 располагаются коллиматорная труба 4, подвижной кронштейн 5, призма в оправе 6, винтовой микрометр 9. Подвижной кронштейн служит для укрепления на нем зрительной трубы 8. Призма, которая предназначена для разложения света в спектр, покрыта колпачком (не показан на рис. 7). Микрометр 9 состоит из винта с шагом 1 мм и барабанчика, на котором нанесена шкала с 50 делениями. Цена деления шкалы на барабанчике микрометра – 0,02 мм.

 

Рис. 7

Для получения спектра излучения служит ртутно-кварцевая лампа типа СВД-120А, которая является мощным источником излучения. Внутри лампы находится определенное количество ртути. Лампа наполнена аргоном. При дуговом разряде в парах ртути между концами токоведущих электродов лампа дает излучение. Зажигание лампы происходит автоматически в течение 1-2 минут после ее включения. В первый момент после зажигания лампы в атмосфере аргона возникает дуга. После нескольких минут горения дуги ртуть в лампе испаряется и в дальнейшем разряд происходит в атмосфере паров ртути при давлении 10-15 атмосфер. Источником излучения являются одноатомные пары ртути; получится линейчатый спектр.

ВНИМАНИЕ! С ртутно-кварцевой лампой работать в защитных очках.

 

 

Производство работы

 

Задание №1. Произвести градуировку призменного спектроскопа.

Для того, чтобы проградуировать спектроскоп необходимо знать длины волн в спектре ртути (длины волн ртутного спектра указаны в таблице 1) и их положение в спектре.

1. Щель коллиматора установить против выреза в кожухе ртутной лампы.

2. Переключатель трансформатора Т поставить в положение «вкл».

3. При помощи переключателя К1 на ртутную лампу подать высокое напряжение от трансформатора Т. Через 1-2 минуты лампа готова к работе.

4. Вращая винт 9 (рис. 7) спектроскопа, просмотреть весь спектр паров ртути и составить таблицу 1, где к – число делений винтового микрометра, соответствующее каждой спектральной линии.

ВНИМАНИЕ! По окончании работы выключить ртутно-кварцевую лампу. Долго держать включенной лампу нельзя.

 

Таблица 1

Линии спектра	λ, длина волны (нм)	к, отсчет по шкале винтового микрометра (дел. шк.)
Красная	690
Желтая	579
Зеленая	546
Голубая	492
Синяя	436
Фиолетовая	405

 

Задание №2. Изучить спектры поглощения различных светофильтров.

Для выполнения этого задания Вам выдан набор светофильтров.

1. Осветитель включить в сеть. Щель коллиматора спектроскопа установить против осветителя. Вращая микрометрический винт просмотреть сплошной спектр, который дает лампа накаливания.

2. В держатель на осветителе поместить один из выданных вам светофильтров. Посмотрев в зрительную трубу спектроскопа, увидите в спектре темные полосы поглощения.

3. С помощью шкалы винтового микрометра определить ширину цветных полос и полос поглощения в спектре (в интервале от 4 до 8 мм), фиксируя начало и конец полос пропускания и поглощения, при этом конец одной полосы является началом другой.

Цветным полосам соответствует коэффициент поглощения α = 0, а темным полосам – коэффициент поглощения α = 1. Все данные записать в таблицу 2 (столбцы 1, 2, 3).

4. Действия, описанные выше в п. п. 2 и 3, проделать и с другим светофильтром, записывая данные в таблицу 2.

Таблица 2

№№ свето- фильт- ра	Характеристика светофильтра
	α = 0	α = 1	Интервал длин волн λ (нм)
	Ширина цветной полосы, к (дел. шк.)	Ширина полосы поглощения, к (дел. шк.)	пропускаемых (α = 0)	поглощаемых (α = 1)
1	2	3	4	5

 

Описание установки

 

Приборы и принадлежности: стилоскоп СЛ − 11А, образец ферромарганца, образцы стали.

 

Получение и наблюдение эмиссионных спектров сложных веществ осуществляется с помощью специальных спектральных аппаратов. Для визуального спектрального анализа могут быть использованы любые спектроскопы необходимой дисперсии и разрешающей способности. Однако наибольшее применение в промышленности получили приборы двух типов, специально разработанные для спектрального анализа металлов и сплавов: стилоскоп и стилометр.

Стилометрами называются спектроскопы, которые позволяют не только рассматривать спектр исследуемого материала, но и производить измерения относительных интенсивностей спектральных линий. Для этого стилометр снабжен клиновым фотометром, который позволяет ослаблять интенсивность спектра в определенное число раз, и устройством для сближения аналитических линий.

Стилоскоп (от английского «steel» − сталь и греческого «скопейн» − смотреть) служит для полуколичественного спектрального анализа и широко используется в производственной практике при массовых анализах, которые не требуют высокой точности определения концентраций, чаще всего для сортировки сталей. Стилоскопом можно анализировать не только стали, но и самые разнообразные сплавы цветных металлов, твердые сплавы, минералы и другие сложные вещества.

Принципиальная оптическая схема стилоскопа приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Принципиальная оптическая схема стилоскопа

 

В качестве источников спектров излучения при анализе сталей с помощью стилоскопа используется электрическая дуга (Д) переменного тока. Одним электродом дуги служит медный диск, а другим − анализируемый образец стали. Светящиеся пары электродов дуги излучает свет, направляемый конденсорной линзой «К» на щель стилоскопа. Свет, прошедший через щель «Щ», в виде изображения щели направляется объективом О₁ на диспергирующую призму «П». Призма «П» разлагает белый свет на его составляющие. Объектив О₂ фокусирует изображение щели стилоскопа в монохроматических лучах, вышедших из призмы «П», на плоскость Л₁ − Л₂ − Л₃ (в виде вертикальных линий различной яркости и цвета). Это эмиссионный линейчатый спектр атомов, содержащихся в анализируемой пробе.

Если в состав анализируемого вещества входят несколько химических элементов, то в линейчатом спектре этого вещества можно обнаружить спектральные линии всех элементов.

Мерой количества химического элемента в анализируемом веществе является интенсивность спектральных линий этого элемента.

Интенсивность спектральной линии пропорциональна количеству одинаковых переходов атомов из возбужденного состояния в невозбужденное. Чем больше какого-либо элемента содержится в анализируемом веществе тем больше одинаковых переходов и, следовательно, ярче (интенсивней) спектральные линии, принадлежащие этому элементу.

Однако не все спектральные линии атомного спектра пригодны для спектрального анализа.

Для каждого элемента существует ряд линий, которые с уменьшением концентрации элемента в анализируемом веществе гаснут (исчезают) последними. Эти легко возбудимые линии наиболее чувствительны к изменению концентрации.

В спектроаналитической практике их называют последними линиями. В эмиссионном спектре каждого химического элемента имеется несколько последних линий. Численные значения длин волн этих линий сведены в специальные таблицы, называемые таблицами спектральных линий.

Внешний вид стилоскопа СЛ − 11А приведен на рис. 2.