И изучение спектров поглощения

 

Цель работы: изучить явления излучения и поглощения света веществом, ознакомиться с установкой для изучения спектров поглощения и методикой калибровки спектроскопа, экспериментально определить длины волн границ полос поглощения вещества с помощью спектроскопа.

Приборы и принадлежности: спектроскоп, ртутно–кварцевая лампа, лампа накаливания со щелью и кассетой для набора светофильтров (жидких или твердых).

 

Теория работы

 

Спектром называется совокупность монохроматических волн, входящих в состав сложного излучения. Оптические спектры разделяют на спектры испускания и спектры поглощения.

Спектр, получаемый от излучающих тел, называется спектром испускания.

Спектр, в котором имеются все длины волн, непрерывно переходящие одна в другую, называется непрерывным или сплошным. Такие спектры имеют излучения раскаленных твердых и жидких тел, а также газов при высоком давлении.

Излучения, состоящие из нескольких монохроматических волн, дают линейчатый спектр. Линейчатые спектры характерны для излучения газов и паров металлов в атомарном состоянии.

Если близко расположенные линии сливаются в более или менее широкие полосы, спектр называется полосатым. Такие спектры характерны для паров и газов в молекулярном состоянии, например излучение азота, паров йода и др.

Если белый свет проходит сквозь какую–либо достаточно прозрачную среду, то некоторые из составляющих его монохроматических волн могут поглощаться средой более интенсивно, чем другие, и тогда в сплошном спектре белого света в определенных местах появляются линии или полосы затемнения, характерные для данной среды. Среда наиболее интенсивно поглощает излучения тех длин волн, которые она сама испускает в нагретом светящемся состоянии. В результате в спектре поглощения получаются темные линии (или полосы) в тех местах, в которых были бы цветные полосы в спектре испускания поглощающей среды.

Совокупность темных линий или полос, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его сквозь данную прозрачную среду, называется спектром поглощения данной среды. Спектр поглощения отражает зависимость показателя поглощения данного вещества от частоты (длины волны) излучения.

Объяснение природы спектров дает квантовая теория. Согласно этой теории, линейчатые спектры излучаются невзаимодействующими друг с другом атомами вещества. Допустим, что один из этих атомов вещества получил энергию извне. В этом случае он становится возбужденным и его внешние электроны переходят со стационарных орбит на другие, более удаленные орбиты. Такое энергетическое состояние атома является малоустойчивым, и через некоторое время электроны возвращаются на стационарные орбиты, что сопровождается уменьшением энергии атома путем излучения кванта энергии – фотона. Частота этого излучения определяется по формуле:

, (1)

где n – частота; Е ₂ и Е ₁ - энергия атома во втором и первом энергетических состояниях соответственно; h - постоянная Планка.

Исследование спектров производится с помощью спектроскопа, ход лучей в котором показан на рис. 1.

 

 

Рис. 1

 

На рис. 1 А - коллиматор; Б - щель коллиматора; L₁ - линза в коллиматоре для получения параллельного пучка лучей; F - призма; L₂ - объектив зрительной трубы; L₃ – окуляр зрительной трубы.

Призма F разлагает пучок белого света излучателя на монохроматические пучки, которые собираются в полосы объективом: красные в одном месте экрана, оранжевые - в другом, желтые - в третьем и т.д. Совокупность всех цветных полос на экране образует дисперсионный спектр. Этот спектр рассматривается через окуляр, который дает мнимое увеличенное изображение спектра. Для определения относительного положения полос спектра в окулярной трубе имеется тонкая вертикальная нить (линия), которую вращением микрометрического винта спектроскопа можно совместить с любой линией спектра.

Для того чтобы с помощью спектроскопа можно было определить длины волн линий исследуемого спектра, спектроскоп необходимо проградуировать, т. е. установить зависимость между длинами волн спектральных линий и делениями шкалы спектроскопа, на которых они видны.

 

Порядок выполнения работы

 

Градуировка спектроскопа

1. Включить кварцевую лампу и установить щель Б коллиматора А спектроскопа

против щели в футляре ртутно–кварцевой лампы.

2. Добиться четкого изображения спектра в виде узких линий фокусировкой окуляра

зрительной трубы.

3. Зафиксировать положение в спектре четырех линий: желтой, зеленой, синей и

фиолетовой последовательным подведением вертикальной нити коллиматора к середине каждой из этих линий и сделать отсчет по микрометрическому винту спектроскопа.

4. Данные измерений занести в таблицу 1 измерений и по этим данным построить

градуировочный график для спектроскопа, откладывая по горизонтальной оси отсчет n по винту, a по вертикальной оси – соответствующую длину волны l в нм

(1 нм = 10^-9 м).

 

Таблица 1 измерений

 

Цвет спектральной полосы	Желтый	Зеленый	Синий	Фиолето- вый
Длина волны
Наименование единицы измерения l	нм	нм	нм	нм
Деление шкалы n