Калибровка спектрометра-монохроматора по длине волны

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт – Физико-технический

Направление подготовки – Ядерные физика и технологии

Кафедра – Физико-энергетических установок

 

 

 

 

 

 

 

Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Квантовые законы атомной физики»

Калибровка спектрометра-монохроматора по длине волны

 

 

 

 

 

 

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата

 

 

 

Проверил

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск – 2017 г.

1.Цель работы

 Ознакомиться с устройством и принципом работы спектрометра-монохроматора, ознакомиться со спектром ртутной лампы в видимом диапазоне, выявить зависимость между длиной волны и углом поворота призмы спектрометра-монохроматора и осуществить его калибровку, построить градуировочный график УМ-2.

2.Приборы и оборудование: Спектрометр-монохроматор УМ-2, лампа газоразрядная ртутная, НС-11, лампа накаливания.

 

3.Теоретическая часть

 

Спектральные приборы (монохроматоры, спектрометры, спек- трофотометры, спектрографы и др.) служат для получения оптических спектров, для исследования спектрального состава вещества. Они являются основой экспериментальной спектроскопии. Началом систематического изучения спектров излучения вещества следует считать работы И. Ньютона по преломлению света в призмах. Он первым сформулировал идею о том, что белый свет является составным, т.е. представляет собой смесь лучей различного цвета. Теоретические основы спектроскопии были заложены работами Н. Бора (1914г.). Согласно атомной теории Бора закономерности в расположении линий спектра определяются структурой электронной оболочки атома. В современной квантовой механике строго доказано, что атомы каждого химического элемента имеют присущий только им набор возможных стационарных энергетических состояний. Переходы между этими состояниями и образуют спектр частот излучения (или поглощения), характерный только для данного элемента. Именно поэтому оказывается возможным отождествление химического элемента по его спектру испускания или поглощения, т.е. качественный спектральный анализ.

Спектральный анализ в подавляющем большинстве случаев точнее, быстрее и чувствительнее химических методов и поэтому широко применяется в современном производстве и в научных исследованиях.

 

Основной характеристикой световой волны является ее спектр, то есть зависимость интенсивности волны I от ее частоты ω. Спектр идеально     монохроматической волны – бесконечно

узкая линия. График монохроматической волны и ее спектр,  представлены  на  рис. 1 а, б.

                                                                     

 

 

                                                                         Рис.1.График (а) и спектр(б)

 

Атомы испускают свет в виде отдельных коротковременных импульсов – цугов (рис.2,  а).   Так   как   имеется  явление  волнового  цуга,  то  наряду  с частотой ω0 характерной для основной части цуга, появляются частоты немного большие и много меньше основной частоты, то есть происходит уширение спектральной линии (рис. 2, б). Однако, если ширина спектральной линии много меньше ω0, то есть

 

 

 

то такую волну с достаточно хорошим приближением можно считать монохроматической.

 

Рис.2.

 

Спектральный прибор состоит из трех основных частей: осветительной, диспергирующей и приемно-регистрирующей.

Осветительная часть включает источник излучения и конденсорную линзу, которая предназначена для увеличения яркости освещения входной щели прибора. Входная щель является вторичным источником немонохроматического света. Изображение щели, разложенное диспергирующей системой по длинам волн и сфокусированное на выходе прибора и представляет собой наблюдаемый спектр источника излучения.

Диспергирующая система предназначена для пространственного разделения пучков света различных длин волн. В качестве диспергирующих элементов используются призмы, дифракционные решетки и другие приборы.

Приёмно-регистрирующая часть: на пересечении оптической оси прибора с фокальной плоскостью объектива установить вторую щель (выходную), параллельную входной. Выходная щель при соответствующей ширине вырежет из всего спектра только одну спектральную линию.

 

 

 

 

 

4.Схема  эксперимента

Работа выполняется на монохроматоре УМ-2, спектральный диапазон которого 3 800 – 10 000 Å (ангстрем). Внешний вид и оптическая схема этого прибора представлены на рисунке 3и 4.

                                                                                 1– входная щель;

2– микрометрический винт для регулировки ширины щели;

3– коллиматор;

4– призменный столик;

5 – призма – диспергирующий элемент;

6 – выходная труба;

7 – зрительная труба;

8 – окуляр;

Рис.3.Внешний вид монохроматора УМ-2

 

  9– барабан поворота призменного столика с отсчетными делениями;

  10– рельс, на котором крепится источник света.

 

Свет от источника проходит через входную щель 1 (рис. 4), установленную в фокусе ахроматического объектива коллиматора 2 и далее параллельным пучком падает на диспергирующий  элемент – призму Аббе 3. Призма разлагает свет на монохроматические составляющие и одновременно поворачивает световой пучок на 90°. Столик, на котором установлена призма, делается поворотным и вращается барабаном 9 (рис. 3), на котором деления нанесены в градусах, это позволяет вывести на оптическую ось прибора параллельный пучок лучей определенной длины волны. Выходная труба предназначена для сортировки световых лучей по их цветности, то есть для получения четкого спектра. Она состоит из объектива 4 зрительной трубы, выходной щели 5, которая расположена в фокальной плоскости объектива 4 (f2 – фокусное расстояние зрительной трубы). Поворачивая призменный столик с помощью барабана 9 (рис. 3), проектируют на выходную щель различные спектральные участки.

Рис.4.Оптическая схема монохроматора УМ-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнение работы:

Рис.5. Зависимость интенсивности излучения лампы накаливания от шага.

В ходе этого измерения применялся фильтр НС-11, снижающий интенсивность спектра лампы накаливания.

Используя монохроматор получили зависимость интенсивности от шага для ртутной лампы

Рис.6. Зависимость интенсивности излучения ртути от шага

Найдем среднее значение интенсивности для пиков по трем замерам:

Таблица 1. Среднее значение шага в характерных точках

Попытка	I(желто-оранжевый)	I(зеленый)	I(синий)	I(фиолетовый)
1	375	401	550	631
2	382	409	560	639
3	372	398	548	629
nср	376.33	402.67	552.66	633

 

Для этих точек эталонное значение длин волн:

желто-оранжевый = 578.2 нм

зеленый = 546.07 нм

синий = 435.83 нм

фиолетовый = 404.66 нм

Построим зависимость длин волн пиков от шага и аппроксимируем полученную ломанную

Рис.7. Зависимость длинны волны от шага

Наилучшим приближением оказался полином 3ей степени

λ=-4.84291173*10-6*x3+0.0091987*x2-6.18060947*x+1859.50405462

На основе полученной аппроксимации построим график спектра ртути по длине волны:

Рис.8. Зависимость интенсивности от длины волны для ртути

  Используя полученную зависимость длины волны от шага, построим зависимость интенсивности от длины волны для полученного спектра лампы накаливания и распределения планка для температуры T=2700K.

Рис.9. Зависимость интенсивности от длины волны для лампы накаливания и по формуле планка

Как видно из графика, распределение Планка уходит в длины волн порядка микрометров, а вольфрамовый спектр обрывается при значениях до микрометра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя полученную зависимость длины волны от шага, построим зависимость интенсивности от длины волны для полученного спектра лампы накаливания и распределения планка для температуры T=2700K.

Рис.9. Зависимость интенсивности от длины волны для лампы накаливания и по формуле планка

Как видно из графика, распределение Планка уходит в длины волн порядка микрометров, а вольфрамовый спектр обрывается при значениях до микрометра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод:

В ходе выполнения лабораторной работы был изучен принцип работы спектрометра-монохроматора УМ-2, была осуществлена его калибровка согласно видимому спектру излучения ртутной газоразрядной лампы, построен градуировочный график (Рис.7). Получили зависимость интенсивности ртути от длины волны (Рис. 8).

            Используя результаты калибровки, получили спектр излучения лампы накалывания по длине волны, и сравнили с распределением Планки при T-2700К (Рис. 9).