Выполнение работы

Лабораторная работа № 23

ГРАДУИРОВАНИЕ СПЕКТРОСКОПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ ПО ГРАДУИРОВОЧНОЙ КРИВОЙ

Оборудование: Спектроскоп двухтрубный с отсчетным микрометрическим винтом, спектральные трубки с гелием и водородом, прибор для зажигания спектральных трубок, выпрямитель с напряжением на выходе 6 В или батарея аккумуляторов, выключатель лабораторный, провода соединительные с наконечниками.

Описание установки:

Спектроскоп двухтрубный имеет следующее устройство: массивная тренога поддерживает круглый столик. Посередине столика укреплена призма из флинтгласа, которая во время работы закрывается от посторонних лучей крышкой.

Непосредственно к столику примыкают две трубы, расположенные радиально в горизонтальной плоскости: труба коллиматорная и труба зрительная. Посредством кольца к столику прикреплено основное колено трубы коллиматора. В него вставлено другое, которое можно выдвигать.

На конце передвижного колена имеется щель, образуемая двумя пластинками: одной закрепленной и другой, перемещаемой винтом с мелкой резьбой, что позволяет производить тонкую регулировку ширины щели коллиматора. Чтобы щель всегда была расположена вертикально, в неподвижном колене трубы сделана продольная прорезь, в которой скользит фиксирующий винт, прикрепленный к передвижному колену трубы.

На конце подвижного колена, обращенном к призме, имеется собирательная вогнуто-выпуклая линза, главный фокус которой расположен близ щели при раздвинутой полностью трубе коллиматора.

С другой стороны призмы расположена зрительная труба, состоящая из трех входящих друг в друга колен. Наружное колено неподвижно укреплено в кольце, которое шарнирно связано с осью столика, что позволяет перемещать зрительную трубу в горизонтальной плоскости, оставляя ее радиальное положение относительно оси столика. Передвижные колена могут перемещаться вдоль оси трубы, но не могут вращаться. Это достигается продольными прорезями с фиксирующими винтами, как и у коллиматора.

На конце наружного колена зрительной трубы, обращенной к призме, имеется собирающая вогнуто-выпуклая линза, объектива.

Среднее передвижное колено состоит из двух сочлененных труб, между которыми (внутри) имеется вторая собирающая линза объектива. Перед линзой (со стороны окуляра) укреплена диафрагма с вертикальной нитью. В свободный конец крайнего передвижного колена вставлен сложный окуляр, состоящий из двух линз.

Незначительное угловое перемещение зрительной трубы в горизонтальной плоскости, необходимое для совмещения изображения нити с той или иной частью спектра, достигается с помощью микрометрического приспособления.

Микрометрический винт с шагом 1 мм имеет головку, разделенную на 50 равных частей. Винт ввертывается в резьбу, сделанную в кронштейне. Пружина одним концом прикреплена к столику, а другим давит на плечо шарнира кольца и прижимает его к микроскопическому винту. Для отсчета целых оборотов микрометрического винта имеется шкала.

Лучи, идущие от источника света, расположенного близ щели коллиматора, проходят через щель, находящуюся в главном фокусе линзы, и после линзы параллельным пучком падают на грань призмы.

В призме лучи отклоняются к ее основанию и разлагаются на составные цветные лучи. По выходе из призмы лучи еще раз откланяются к основанию призмы, и, разложившись на множество пучков (каждый пучок состоит из параллельных лучей с одинаковой длиной волны), направляется в объектив зрительной трубы. Пройдя две линзы сложного объектива зрительной трубы, каждый пучок одноцветных лучей дает действительное цветное изображение щели коллиматора. Из ряда таких изображений получается спектр, красная область которого обращена в сторону вершины призмы, а фиолетовая – в сторону основания.

При рассматривании действительного изображения спектра (и нити) через окуляр, как через лупу видна только сравнительно небольшая часть спектра. Для рассматривания других частей спектра зрительную трубу необходимо поворачивать с помощью микрометрического винта. Школьный спектроскоп с отчетным приспособлением служит не только для наблюдения спектра, но и для простейшего спектрального анализа. Следовательно, он дает возможность по расположению линий в спектре определить наличие в источнике света тех или иных химических элементов. Для этого определяют длины волн наблюдаемых линий спектра и сопоставляют с данными справочника.

Однако предварительно спектроскоп необходимо проградуировать. Градуировку производят, наблюдая уже известный спектр, какого либо светящегося газа, достаточно богатый спектральными линиями. Длину волны, соответствующей каждой из наблюдаемых линий, берут из справочников. Затем совмещают нить зрительной трубы с каждой из спектральных линий, снимают показания отчетного приспособления и строят градуировочную кривую, на которой зафиксированным длинам волн соответствуют определенные показания микрометра.

После градуировки спектроскопа, наблюдая линейчатый спектр неизвестного вещества, можно для каждой новой спектральной линии по градуировочной кривой определить длину волны, а затем по справочнику узнать, спектру какого элемента принадлежат эти линии. Учащимся предлагают проградуировать спектроскоп по линиям спектра гелия, для которых длины волн должны быть взяты из справочника. Затем пронаблюдать спектры водорода и паров натрия и по градуировочной кривой определить длины волн наблюдаемых спектральных линий этих элементов. После выполнения работы сравнить полученные результаты с данными справочника.

Опыт 1. Установка и градуировка спектроскопа

Щель коллиматора у спектроскопа раздвигают приблизительно на 1 мм. Трубку со щелью выдвигают до отказа и направляют на окно (лучше на небо). Передвижением окуляра у зрительной трубы добиваются четкого изображения вертикальной нити и в дальнейшем трубу с окуляром больше не перемещают. Передвигают среднее колено зрительной трубы (со второй линзой объектива) и получают четкую верхнюю и нижнюю границы сплошного спектра.

Микрометрическим винтом поворачивают зрительную трубу так, чтобы сплошной спектр был в поле зрения. Наблюдают сплошной спектр. Уменьшая постепенно щель коллиматора, добиваются видимости фраунгоферовых линий. Это удается только с таким спектроскопом, у которого щель весьма высокого качества. В этом случае при постепенном сближении пластин яркость спектра уменьшается и на фоне спектра возникает множество темных слабо выраженных вертикальных линий.

После этого собирают установку и переходят к градуировке спектроскопа по линиям спектра гелия.

Спектральную трубку с гелием вставляют в держатель прибора для зажигания спектральных трубок; зажимы прибора через выключатель присоединяют к источнику постоянного тока напряжением около 6 В. Щель коллиматора подводят вплотную к спектральной трубке и включают ток.

Вращением головки микрометрического винта перемещают зрительную трубу, пока не обнаружат спектральные линии, совмещают одну из наиболее ярких линий (желтую) с нитью. Перемещением окуляра добиваются резкого изображения нити, а перемещением среднего колена зрительной трубы – резкого изображения спектральной лини. Подбирают ширину щели коллиматора так, чтобы спектральная линия была немного шире нити и последняя хорошо просматривалась на ее фоне.

Далее вращают головку микрометрического винта и, отведя зрительную трубу в правое конечное положение, медленно поворачивают ее в обратном направлении, пока не появится крайняя (красная) спектральная линия. Совместив ее с нитью, записывают в таблицу показания микрометра и передвигают зрительную трубу до совмещения нити с каждой из последующих линий. Для каждой линии снимают показания микрометра и заносят в таблицу.

Цвет линий	Показания микрометра, мм	Длина волны по справочнику, нм
Красная
Красная
Красная
Желтая
Зеленая
Голубая
Синяя
Фиолетовая

При отсчетах по микрометру следует иметь в виду, что головка микрометра разделена на 50 частей при шаге в 1 мм. Поэтому, чтобы выразить результат в сотых долях миллиметра, показания головки микроамперметра приходится удваивать.

По полученным результатам измерений и соответствующим длинам волн, взятым из справочника, вычерчивают кривую зависимости между показаниями микрометра данного спектроскопа и длинам световых–волн, т.е. производят градуировку спектроскопа. С этой целью на листе миллиметровой бумаги размером 25х25 см наносят координатные оси и по оси ординат откладывают длины световых волн в нанометрах (масштаб: 2 нм в 1 мм сетки), а по оси абсцисс откладывают показания микрометра (масштаб: 0,05 мм по микрометру в 1 мм сетки). По точкам, полученным от пересечения координат, вычерчивают плавную кривую.

Опыт 2. Определение длин световых волн спектральных линий водорода и паров натрия

Трубку с гелием в предыдущей установке заменяют трубкой с водородом и описанными выше приемами определяют показания микрометра для основных линий нового линейчатого спектра.

Записав результат измерений, наносят их на кривую графика, построенную ранее для гелия. Показания микрометра откладывают по оси абсцисс, а по оси ординат определяют соответствующие им длины волн наблюдаемых линий. Эти длины волн сопоставляют с данными, взятыми из справочника физических величин, и убеждаются, что они близки между собой.

Результаты заносят в таблицу.

Цвет линий	Показания микрометра, мм	Длины волн по кривой, нм
Красная
Зеленая
Синяя

Затем наблюдают спектр паров натрия. Для этого ватку на проволочке смачивают спиртом, укрепляют в лапке штатива на высоте щели коллиматора, зажимают и наблюдают слабый сплошной спектр. Посыпав ватку с горящим спиртом поваренной солью, наблюдают появление в спектре яркой желтой полосы паров натрия. Определяют для нее показания микрометра спектроскопа. Наносят полученные показания на график и определяют длину волны паров натрия.

Дата добавления: 2014-11-07