Назначение и устройство спектрального прибора УМ-2

 

Явление дисперсии ответственно за разложение белого света в спектр при прохождении его через стеклянную призму. Именно это ис-пользуется в монохроматоре.

 

Монохроматор УМ-2 выделяет монохроматические участки спектра в видимой и ближней инфракрасной областях в интервале 3800…100000 Å, поэтому его используют для различных спектральных исследований.

 

Оптическая схема монохроматора изображена на рис. 10.1.

Свет от источника 1 проходит конденсоры 2 и 3, входную щель мо-нохроматора 4, объектив коллиматора 5 и падает параллельным пучком на диспергирующую призму 6. Под углом 90⁰ к падающему пучку света распо-ложена выходная труба монохроматора. Световые лучи, прошедшие че-рез диспергирующую призму, попадают в объектив 7, который собирает их в плоскости выходной щели 8. Поворачивая призму, установленную на сто-лике, на разные углы относительно падающего света, получают в выходной щели свет с различной длиной волны.

 

Таким образом, монохроматор состоит из коллиматора 11 (рис. 10.2), диспергирующей призмы на столике с поворотным механизмом 12 (закрыт кожухом) и выходной трубы 13.

 

Коллиматор состоит из щели и объектива. Ширина раскрытия щели от 0 до 4 мм может регулироваться винтом 14, цена деления на барабане равна 0,01 мм. Ножи входной щели установлены в фокальной плоскости объек-тива коллиматора.

 

На барабане длин волн 19 поворотного механизма диспергирующей призмы нанесены относительные деления.

 

 

 

Рис. 10.1

 

В фокальной плоскости окуляра смотровой трубы есть указатель 9. Спектральная линия, подведенная к указателю, должна попадать в вы-ходную щель коллиматора, установленного вместо смотровой трубы. При подведении спектральной линии к указателю можно опередить ее длину волны по показаниям на барабане 19.

 

В монохроматоре УМ-2 в качестве диспергирующего элемента ис-пользуют призму постоянного отклонения. Эта призма склеена из трех прямоугольных призм (рис. 10.3): одной равнобедренной с углами 45⁰и двух с острыми углами 30⁰ и 60⁰. Крайние призмы изготовлены из стекла с большой дисперсией и большим показателем преломления (тяжелый флинт – ГТЗ), средняя призма – из крона. Луч S после преломления в точ-ке M в 30-градусной призме под минимальным углом отклонения падает на катет AB средней 45-градусной призмы (не преломляясь), отражается от ее гипотенузы AC под прямым углом на грань BC другой 30-градусной призмы и выходит из нее, преломляясь на другой грани в точке N. Поэто-му лучи S и S’ перпендикулярны друг другу. Средняя 45-градусная призма используется как зеркало и никакого значения для дисперсии светового лу-ча не имеет. Такая призма эквивалентна симметричной трехгранной призме с преломляющим углом 60⁰.

 

 

Рис. 10.3

 

 

Рис. 10.2

При вращении призмы вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, в направлении NS' будут выходить лу-чи с разной длиной волны. Направле-ние выходящих лу-чей всегда перпен-дикулярно направ-лению входящих. Таким образом, коллиматор и смот-ровая труба оста-ются неподвижны-ми, а спектральные

 

линии перемещаются в поле зрения окуляра. Положение спектральной линии относительно указателя в окуляре определяют по углу поворота призмы. Угол поворота призмы фиксируется на барабане длин волн 19 (см. рис. 10.2) в делениях.

 

В качестве источников света в работе используют ртутную лампу ДРШ, которую подключают к источнику питания, и неоновую лампу МН-5, которую включают непосредственно в сеть.

 

Ртутную и неоновую лампы в металлических кожухах устанавливают на оптической скамье. Следует иметь в виду, что ртутная лампа излучает мощный поток ультрафиолетовых лучей. Наблюдать свечение лампы без фильтра или защитных очков нельзя. Во время работы в лампе возникает давление паров ртути до 30 атм, поэтому обращаться с ней надо осто-рожно.

 

Источник света 1 проецируется на щель монохроматора с помощью конденсора 2 (см. рис. 10.1).

 

Задание 1. Градуировка монохроматора УМ-2

 

Градуировка монохроматора, как правило, проводится по нескольким спектральным линиям ртути и неона. Начинать градуировку лучше со спектра ртути, так как небольшое количество линий распределено по всему спектру. Значения длин волн спектра ртути и неона в видимой области приведены в табл. 10.1, а спектры показаны на рис. 10.4.

 

Порядок выполнения задания 1

 

1. Установить ртутную лампу на оптической скамье и закрепить ее на расстоянии ~ 450 мм от плоскости входной щели монохроматора.

2. Поставить конденсор на оптической скамье так, чтобы расстояние от его передней плоскости до лампы равнялось ~130 мм.

 

3. Подключить шнур лампочки к соответствующему гнезду пульта, включить тумблеры «Сеть», «Лампа ДРШ» и несколько раз нажать кнопку «Пуск», пока лампа не загорится.

 

4. Отцентрировать источник света и конденсор так, чтобы входная щель была равномерно освещена. Ширина щели должна быть 0,01…0,02 мм. Проверить видимость спектра.

 

5. Установить с помощью маховика 15 нужное положение объектива коллиматора и изменять его в зависимости от длины волны. Данные для установки объектива коллиматора взять из таблицы на установке. При правильной установке объектива коллиматора и указателя спектральные линии, т.е. изображения входной щели прибора, лежат в одной плоскости

 

с указателем и видны одинаково четко.

6. Поворачивая барабан длин волн 19, просмотреть все линии спектра, убедиться в том, что все линии видны четко и не являются слишком широ-кими, а после этого приступить к градуировке.

 

7. Указатель смотровой трубы совмещать последовательно со всеми видимыми спектральными линиями ртути, сделать отсчеты по барабану монохроматора и занести их в таблицу.

 

8. Построить график = f(z), где z – деления барабана. Соответствую-щие им значения длин волн взять из табл. 10.1.

 

 

Таблица 10.1

 

Номер	Длина волны	Ин-	Номер	Длина волны	Интен-
линии	ртути, Å	тен-	линии	неона, Å	сив-
			сив-			ность
			ность
	6907,0	красная			6717,04 красная
	6234,3	красная			6678,02 красная
	6121,5	оранжевая			6598,95 красная
	6072,6	оранжевая			6532,88 красная
	5790,7	желтая			6506,53 красная
	5769,6	желтая			6402,25 ярко-
	5460,7	зеленая			красная
	4916,0	сине-			6382,99 ярко-
	зеленая			красная
	4358,3	синяя			6334,43 ярко-
	4347,5	синяя			красная
	4339,2	синяя			6304,79 ярко-
	4077,8	фиолето-			красная
	вая				6266,50 красная
	4046,8	фиолето-			6217,28 красная
	вая				6163,59 красно-
					оранжевая
					6143,06 оранже-
					вая
					6069,10 оранже-
					вая
					6074,34 оранже-
					вая
					6030,00 оранже-
					вая
					5975,53 оранже-
					вая
					5944,83 желто-
					оранжевая
					5881,90 желто-
					оранжевая
					5852,49 желтая

9. Аналогично сделать измерения спектральных линий неона, по-ставив на оптическую скамью лампу МН-5 и подключив ее к пульту пита-ния. Поскольку спектр неона богат на линии в красном участке спектра, то данные о спектре неона используют для уточнения градуировки графика в этой области спектра.

 

Критерием правильности градуировки кривой есть отсутствие изло-мов и перегибов.

 

 

Ртуть		Неон
		6907,0			6717,04
					6382,99
		5460,7
		4918,0
				6266,50
4358,3			6163,59
4339,2			6030,00
		4046,8
				5852,49
	Ртуть		Неон
			Рис. 10.4

 

 

Задание 2. Определение основных характеристик спектрального прибора

 

Основными

 

и линейная (D =

характеристиками прибора являются угловая (D =^d)

dλ

 

^dl = FD)дисперсии,а также разрешающая способность dλ

 

R= ^λ. Вместо линейной дисперсии на практике используют обратную

Δλ

 

величину ^dλ, Å/мм. Обратная линейная дисперсия показывает, какой dl

 

спектральный интервал в фокальной плоскости прибора приходится на 1 мм. Эта величина приводится в паспорте прибора.

 

 

Порядок выполнения задания 2

 

1. Пользуясь графиком λ= f(z) (задание 1), найти величины ^dz

dλ

вблизи точек с координатами ₁ = 6563 Å, ₂ = 5893 Å, ₃ = 5461 Å,

₄ = 4861 Å, 5 = 4558 Å.

 

Δz

2. Определить значения угловой дисперсии Df = z призмы для ¹,

Δλ₀ ⁰

₂, ₃, ₄, ₅,указанных в п.1,если известно,что цена деления барабана

длин волн	z		=5 10^-5	рад	.
			дел.

3. По формуле D = FD определить величины D^l линейной дисперсии

 

l

Dl для тех же значений ₁,₂,₃,₄,₅,если F = 280мм.

4. Определить значение обратной линейной дисперсии ^d, Å / мм. dl

 

5. По данным табл. 10.2 построить график n = f() и найти графическим

 

методом	dn		для 1, 2, 3, 4, 5.
d		Таблица 10.2
	, Å		6563	5893	5461	4861	4358	4340
	n		1,7014	1,7172	1,7240	1,7347	1,7490	1,7497

 

Примечание: n –показатель преломления, – длина волны.

 

6. Определить разрешающую способность R прибора, если основание

призмы B = 5 см (R B ^dn). d

 

7. Проанализировать полученные результаты. Сделать выводы.

 

Контрольные вопросы

 

Вариант 1

 

1. Что характеризуют фазовая и групповая скорости света?

2. Нарисуйте оптическую схему монохроматора.

 

3. Назовите виды дисперсии. Нарисуйте общий вид графика зависимо-сти показателя преломления вещества от частоты излучения.

 

4. Приведите основные характеристики монохроматоров и области их применения.

 

Вариант 2

 

1. Что такое дисперсия света? Как проводится градуировка монохрома-тора?

 

2. Что называется линейной дисперсией и как определяют ее в данной ра-боте?

 

3. Что называется разрешающей способностью прибора?

4. Приведите примеры использования дисперсии в науке и технике.

 

Рис. 11.1

Лабораторная работа № 3-11