Инструкция по выполнению лабораторной работы

Лабораторная работа № 22

ГРАДУИРОВКА СПЕКТРОСКОПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Цель работы: научиться пользоваться спектроскопом, провести градуировку, исследовать линейчатые спектры поглощения и излучения, ознакомиться с элементами качественного спектрального анализа.

Студент должен:

уметь: анализировать состав электромагнитных излучений; обрабатывать результаты измерений; объяснять полученные результаты и делать выводы.

знать: понятие спектра, спектрального анализа, происхождение спектров испускания и поглощения.

Обеспеченность занятия

Приборы и материалы: спектроскоп, спектральные трубки, индукционная катушка, источник постоянного тока на 6 – 12 В, таблица длин волн спектральных линий газа в трубках (гелий, ртуть, водород и т.д.), источник света (лампа накаливания), спиртовая горелка, пробирка с раствором КМО₄.

Раздаточные материалы: методические рекомендации для выполнения лабораторных работ студентами по дисциплине «Физика».

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

           Спектральным анализом называется метод определения химического состава вещества по его спектру. Различают спектры испускания и спектры поглощения.

           Сплошной спектр, излучаемый раскаленными твердыми и жидкими телами, представляет собой цветную полосу с непрерывным переходом одного спектрального цвета в другой.      Линейчатый спектр дают светящиеся пары и газы. Он состоит из определенного сочетания цветных линий, характерных для каждого химического элемента. Полосатый или молекулярный спектр излучается возбужденными молекулами и имеет вид системы широких полос.

           Спектры поглощения возникают при прохождении белого света сквозь различные вещества, которые поглощают из белого света отдельные участки сплошного спектра. Таким образом, на фоне сплошного спектра видны темные полосы или линии, характеризующие это вещество.

Для качественного исследования видимой части спектра служат специальные приборы – спектроскопы.

           В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке. Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посредине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой. На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6.

           Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана молено наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков.

           Длина волны λ определяется по формуле λ = dsinφ/k,где d - период решетки; k - порядок спектра; φ - угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета.

           Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка видно, что tgφ = b/a. Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние Ь - по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.

           Окончательная формула для определения длины волны имеет вид λ = db/ka

Описание работы

           Простейшим прибором, позволяющим проводить спектральный анализ, является спектроскоп (рис.1).

           Спектроскоп состоит из призмы 1, трубы 2, называемой коллиматором, зрительной трубы 3. На одном конце коллиматорной трубы находится собирающая линза 4, удаленная от щели 5 на фокусное расстояние. Лучи света выходят из коллиматора параллельным пучком.

           Дисперсия света осуществляется в призме 1. Дисперсией света называется явление зависимости показателя преломления n вещества от частоты света или от длины волны λ в вакууме: n = f(ν) = φ(λ), где ν – частота световой волны.

           Лучи одного цвета будут выходить из призмы параллельными пучками и попадать в зрительную трубу 3. В фокальной плоскости линзы 6 собираются лучи одинаковых длин волн, образуя спектр, увеличенное изображение которого наблюдается через окулярную линзу 7.

           Если в спектроскопе, имеющим коллиматорную и зрительную трубы, в фокальной плоскости линзы 6 поместить щелевую диафрагму, то передвигая щель вдоль спектра, можно выделить из спектра свет определенной длины волны. Такой спектральный прибор называется монохроматором.

           Вместо линзы 7 можно расположить фотоприставку так, чтобы изображение спектра фокусировалось на нее. Спектральный прибор, предназначенный для фотографирования спектров, называется спектографом. Если после щели монохрамотора расположить фотоприемник, то получится спектрофотометр, позволяющий анализировать интенсивность спектральных линий (точнее участков спектра в узком диапазоне длин волн).

           Для того чтобы с помощью спектроскопа можно было определить длину волны линий исследуемого спектра, спектроскоп необходимо проградуировать, т.е. установить зависимость между длинами волн спектральных линий наблюдаемых в поле зрения возле указателя (маркёра) в виде линий или треугольного острия и делениями шкалы nотсчётного устройства спектроскопа.

           Для градуировки используются линии спектров многих газов, которые хорошо известны, например, водорода. Проградуировать спектроскоп – значит построить график у которого на оси Yотложена длина волны, а на оси Х показания шкалыnотсчётного механизма спектроскопа.

           Для исследования линейчатого спектра какого-либо вещества с помощью спектроскопа получают спектр этого вещества и записывают в таблицу положение линий спектра на шкале спектроскопа. Для исследования спектров поглощения перед коллиматором необходимо поставить осветитель. В окуляр спектроскопа будет виден сплошной спектр. Между щелью коллиматора и осветителем помещается исследуемое вещество, например, кювета с раствором крови. Те участки, которые поглощаются этим веществом, не будут видны. Записав границы поглощенных участков спектра или положение темных линий (линии поглощения) по шкале спектроскопа, с помощью градировочной кривой определяют длины волн поглощения.

           Спектральный анализ можно производить как по линейчатым спектрам испускания, так и по линейчатым спектрам поглощения. Существует каталог спектров испускания и поглощения всех элементов. Сравнивая полученный спектр с табличным, можно определить состав вещества (качественный анализ).

           Количественный спектральный анализ проводится путем фотометрирования (определение интенсивности) спектральных линий: яркость линий пропорциональна количеству соответствующего элемента в исследуемом образце.

Инструкция по выполнению лабораторной работы