Практическая работа: «Наблюдение спектра испускания и поглощения соединений химических элементов с помощью спектроскопа»

Химия.

Группа 1 ВГ

Г.

Практическая работа: «Наблюдение спектра испускания и поглощения соединений химических элементов с помощью спектроскопа»

Цель эксперимента: изучить оптическую схему и конструкцию монохроматора; освоить методику градуировки и отградуировать прибор; измерить длины волн спектральных линий неизвестного источника света и по ним с помощью таблиц спектральных линий определить состав светящегося газа.

Монохроматор УМ-2 Универсальный монохроматор для видимой области спектра УМ-2 разработан в начале 50-х годов. Прибор оказался настолько удачным, что он до сих пор серийно выпускается нашей промышленностью.

Оптическая схема УМ-2 приведена на рис.1. Свет от источника проходит через входную щель 1, установленную в фокусе ахроматического объектива коллиматора 2 и далее параллельным пучком падает на диспергирующий элемент – призму Аббе 3. Фокусное расстояние объектива f1 = 280 мм, а диаметр его D = 47 мм. Поэтому относительное отверстие D/f1 равно 1:6, т.е. это прибор средней светосилы.

Рис. 1. Оптическая схема монохроматора УМ-2

Призма Аббе является не только диспергирующим элементом, но также отклоняет любой луч, идущий через нее под углом наименьшего отклонения, на 90˚ (рис.7). Призма делается из трех склеенных призм, одна из которых является поворотной. От объектива коллиматора на призму падает параллельный пучок немонохроматического света. На входной грани призмы в силу дисперсии лучи различных длин волн преломляются по-разному. Один из лучей пойдет под углом наименьшего отклонения, т.е. параллельно основанию 1-й призмы и под углом 45˚ отразится от гипотенузной грани поворотной призмы полного внутреннего отражения и пройдет параллельно основанию 3-й призмы. Далее этот луч попадает на границу стекло-воздух, снова преломляется и выходит из призмы вдоль оптической оси приемной части прибора. Призмы 1 и 3, фактически, выполняют роль диспергирующей призмы.

Рис. 2. Ход лучей света через призму Аббе

Лучи других длин волн отклоняются призмой на иные углы и выходят из нее параллельными пучками, не совпадающими с оптической осью.

Столик, на котором установлена призма, делается поворотным и вращается барабаном с отсчетами длин волн. Это позволяет вывести на оптическую ось прибора параллельный пучок лучей определенной длины. При этом угол 90° между входящим в призму и выходящим пучками данной λ сохраняется. Ахроматический объектив камеры 4 собирает все параллельные лучи различных длин волн в своей фокальной плоскости. Окуляр 6 служит для визуального отсчета положений спектральных линий. В комплект прибора входят сменные выходная щель и окуляр.

 Выходная щель устанавливается на пересечении оптической оси прибора и фокальной плоскости объектива камеры. За щелью ставят фотоприемник и регистрирующий прибор. Поворачивая барабан длин волн (и призму) и фиксируя показания прибора, можно снять спектр, подобный изображенному на рис 4,б.

В данной работе используется визуальный метод наблюдения с помощью окуляра, который устанавливается вместо щели. В поле зрения окуляра оказывается не одна линия (как за выходной щелью), а несколько (рис.3).

Для индикации луча, идущего вдоль оптической оси прибора, в фокальной плоскости объектива камеры устанавливается игла 5, силуэт которой виден через окуляр вместе с изображениями спектральных линий (рис.3). Та из линий, которая совпадает с острием иглы, выведена на оптическую ось прибора. Ее положение фиксируется на барабане длин волн против риски указателя делений. 

Изображение барабана установки ширины входной щели (1 на рис.5) представлено на рис. 4.

Общий вид монохроматора и его органы управления показаны на рис.5. Вращением по часовой стрелке барабанчика установки ширины входной щели (рис.4) можно щель открывать, в обратную сторону – закрывать. Сотые доли миллиметра указаны на верхнем торце барабанчика вертикальными штрихами. При установке щели нужное деление совмещают с вертикальной чертой на основании барабанчика. Пять горизонтальных черточек на основании соответствует первоначальному раскрытию щели на 0-1-2-3-4 мм. Один полный оборот барабанчика соответствует разрыву щели на 1 мм.

Рис.3. Вид поля зрения окуляра с набором спектральных линий и иглой-указателем

Рис.4. Барабан установки ширины входной щели монохроматора УМ

 

Рис. 5. Внешний вид монохроматора УМ-2:

 1 - барабан установки ширины входной щели;

2 - маховичок фокусировки объектива коллиматора;

3 - шкала фокусировки объектива коллиматора;

 4 - поворотный столик;

5 - призма Аббе;

6 - барабан поворота столика с отсчетными деления ми угла поворота;

7 - указатель делений;

8 - окуляр;

9 - затвор коллиматора.

Положение барабанчика щели, показанное на рис.9, является недопустимым, так как при этом щель «зашкалена» за 0 и ее ножи плотно прижаты друг к другу. Чтобы установить требуемую ширину, необходимо:

а) поворачивая барабанчик, совместить его верхний край с горизонтальной чертой заданного числа целых миллиметров;

б) поворачивая барабанчик по часовой стрелке, установить сотые доли миллиметра несколько больше (на 0,10-0,20), чем требуется. Затем вернуться назад и точно установить заданную ширину щели. Такой порядок обусловлен тем, что ходовой винт любой щели имеет “мертвый ход”, а щель при градуировке под микроскопом устанавливается на 0 при ее закрывании. 

Маховичок 2 фокусировки объектива коллиматора установлен при регулировке прибора и его может вращать только преподаватель или лаборант. Если наблюдаемый спектр окажется размытым, следует прежде всего добиться максимальной (по индивидуальному глазу) резкости спектральных линий вращением окуляра 8. Призма 5 установлена на столике 4, поворот которого осуществляется вращением барабана длин волн 6 с указателем делений 7. Барабан отградуирован в углах его поворота, при этом призма поворачивается во много раз медленнее. Поэтому, подводя барабаном длин волн каждую линию спектра на острие иглы окуляра, мы фиксируем не длину волны, а угол поворота барабана. Окуляр прибора 8 имеет накатанное кольцо, вращением которого можно добиться резкого изображения спектра и иглы-указателя в поле зрения окуляра.