Теоретическая часть. Изучение спектрального аппарата УМ-2

Изучение спектрального аппарата УМ-2

Лабораторная работа №6

Цель работы: ознакомление с принципом действия и работой спектрального аппарата УМ-2, построение градуировочного графика монохроматора и его дисперсионных характеристик

Спектральные аппараты служат для пространственного разделения лучей различных длин волн. Принципиальная схема спектрального аппарата представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема спектрального аппарата

Схема состоит из трех основных частей: коллиматора 2-4, служащего для получения параллельного пучка лучей, диспергирующей системы 5 (призмы или дифракционной решетки), разлагающей немонохроматический свет в спектр, и зрительной трубы 6-8 для наблюдения спектра, или регистрирующего устройства. Ход лучей в данной схеме следующий. Свет от источника 1 проходит через конденсор 2 и освещает щель 3, которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора 4. Из объектива параллельный коллимированный пучок лучей направляется на диспергирующую систему 5.

Если источник испускает немонохроматический свет, то вследствие того, что волны различных длин по-разному преломляются в призмах из-за дисперсии показателя преломления, произойдет разложение света на монохроматические составляющие и из системы призм выйдут параллельные пучки лучей, соответственно соберутся в фокальной плоскости 7 объектива 6 зрительной трубы в виде спектрального изображения щели 3. Если источником света служит лампа низкого давления, содержащая инертный газ в атомном состоянии, то спектральное изображение щели 3 будет иметь вид цветных полос, соответствующих атомному линейчатому спектру газа лампы. Спектр может наблюдаться глазом через окуляр 8, при этом спектральные линии выводятся на 7 выходную щель зрительной трубы, расположенную в плоскости 7. Основными характеристиками спектрального аппарата являются угловая и линейная дисперсии. Угловая дисперсия зависит только от диспергирующего элемента аппарата. Линейная дисперсия определяется кроме того, геометрическими условиями фокусировки спектра. Угловая дисперсия определяется как отношение разностей углов отклонения двух спектрально низких монохроматических пучков лучей к разности их длин волн . Следовательно, мера угловой дисперсии:

(1)

Если угловому расстоянию соответствует линейное расстояние в

плоскости изображения 7 объектива зрительной трубы прибора, то линейная дисперсия:

По величине угловой дисперсии нетрудно получить значение линейной дисперсии . Действительно, если расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на , равно в плоскости 7, это расстояние при малых углах связано с углом равенством:

,

где - фокусное расстояние объектива зрительной трубы. Отсюда получим . Следовательно,

(2)

Обычно линейная дисперсия выражается в миллиметрах на нанометр (мм/нм). Дисперсия спектральных аппаратов имеет различное значение в разных участках спектра. Поэтому угловое и линейное расстояния между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на одну и ту же величину, будут различными в разных участках спектра. В данной работе предлагается определить линейную дисперсию спектрального аппарата монохроматора УМ-2 во всем диапазоне видимого спектра и найти графический закон смещения дисперсии с длиной волны.

Описание установки

Приборы и принадлежности: монохроматор Ум-2, газоразрядные трубки высокого давления с гелием и неоном, блок питания.

Монохроматор УМ-2

Основные части монохроматора – коллиматор 9 (рисунок 2), призменный столик 3 с поворотным механизмом и выходная труба 2.

Коллиматор. Коллиматор крепится к обойме 8 на плате 16, которая соединена болтами с основанием прибора.

В качестве входной щели коллиматора применена стандартная симметричная щель 10, ширина раскрытия щели от 0 до 4 мм, высота 15 мм, цена деления на барабанчике 14 равна 0,01 мм.

На входную щель надета насадка 11 с линзой (F*=140 мм – фокусное расстояние) и призмой сравнения, включаемой рукояткой 12. В насадку входит фигурная диафрагма 39.

Рисунок 1 - Оптическая схема монохроматора

1 — источник света;

2 — защитное стекло кожуха лампы;

3 — конденсор;

4 — линза:

5 — призма сравнения,

б — входная щель;

7 — объектив коллиматора,

8 — диспергирующая призма;

9 — объектив зрительной трубы;

10 - съемная выходная щель;

11 — защитное стекло;

12 — окуляр 5^х,

13 — окуляр 10^х,

14 — указатель в фокальной плоскости зрительной трубы

С помощью большого выреза диафрагмы щель ограничивают по высоте; высота щели определяется по шкале с ценой деления 1,2 мм. Шкала нанесена на правой верхней части диафрагмы; отсчет снимается против края корпуса щели.

Ножи входной щели установлены в фокальной плоскости объектива коллиматора. Ввиду того, что фокусное расстояние объектива для каждой длины волны изменяется, предусмотрена возможность фокусировки объектива. В обойме имеется окно с миллиметровой шкалой 6 нониусом 7, по которым определяется положение объектива коллиматора. Фокусировочное движение объектива производится маховичком 17. Зависимость фокусировки от длины волны указана в аттестате прибора. Шкала фокусировки объектива коллиматора освещается лампочкой, закрытой колпачком 5. Для удобства работы выключатель 33 установлен непосредственно на приборе.

В трубе коллиматора, между щелью и объективом, помещен затвор, с помощью которого можно прекратить доступ света в прибор. Движением затвора управляют с помощью рукоятки 15.

Призменный столик с поворотным механизмом. Столик 3 с призмой 4 установлен на нижнем столике с рычагом, получающим движение от микрометрического винта 8 поворотного механизма. Ось вращения механизма собрана на шарикоподшипниках, поэтому призменный столик перемещается легко и плавно.

Рисунок 2 – Конструкция монохроматора

На барабане длин волн 20 поворотного механизма нанесены относительные деления – градусы. Отсчет читается против индекса 21, скользящего по спиральной канавке. Во время работы шкала и индекс освещаются лампочкой 23, которая питается через трансформатор (напряжение 3,5 В).

Выходная труба. Лучи света, пройдя диспергирующую призму, попадают в объектив выходной трубы монохроматора, который собирает их в плоскости выходной щели 35. Ножи выходной щели повернуты скосами наружу, это исключает возможность отражения лучей других длин от скосов ножей и загрязнения монохроматического пучка, выходящего из щели.

На выходную щель, укрепленную в патрубке 34, надета защитная крышка 36. В нерабочем положении выходные окна щелей закрываются колпачками 38.

Освободив маховичок 24, можно вынуть патрубок со щелью и заменить его патрубком 25 зрительной трубы со сменными окулярами. В этом случае монохроматор превращается в спектроскоп постоянного отклонения.

Окуляры 29 и 37 с увеличением 5^х и 10^х – сменные.

В фокальной плоскости окуляра зрительной трубы имеется указатель с головкой 27, освещаемый лампочкой через сменные светофильтры в револьверной оправе I; таким образом, при работе в любой области спектра указатель может быть освещен светом той же длины волны. Для регулировки освещения указателя на приборе установлен реостат 30 с выключателем 32. При заводской юстировке указатель установлен на оси зрительной трубы. Спектральная линия, подведенная к указателю, должная попадать в выходную щель коллиматора, установленного вместо зрительной трубы. Указатель можно сместить в поперечном направлении вращением маховичка 26, для этого нужно ослабить окрашенный в красный цвет винт 28, который фиксирует выбранное положение указателя.

Плато монохроматора с обоймами и поворотным механизмом укреплено на основании 22, которое устанавливается на двух рельсах или на трех опорных точках. Рельс 13 длиной 1,5 м служит для ориентировки осветительной системы, рельс 40 длиной 1 м – для установки приспособлений и принадлежностей. Оба рельса крепятся в гнездах основания монохроматора болтами 19.

Установка рельса в одной вертикальной плоскости с оптической осью коллиматора производится при сборке винтами, закрываемыми крышками 31.

Дата добавления: 2015-05-06