Монохроматор УМ-2

Роботу виконує Баланюк Олександр і Бондар Олександр 32гр.

Зміст

1 Спостереження лінійчатого спектру
2 Історична довідка
3 Власне джерела лінійчастих спектрів
4 Фото, відео-матеріали
5 Список використаних джерел

Спостереження лінійчатого спектру

Монохроматор УМ-2

Монохроматор УМ-2 (рис. 2) призначений для проведення спектральних досліджень джерел світлового випромінювання, проведення якісного спектрального аналізу і вивчення спектральних залежностей коефіцієнтів відображення, прозорості і поглинання різних середовищ. Спектральний діапазон монохроматора УМ-2 становить від 400 до 1000 нм. Оптична схема УМ-2 пріведена на рис.1. Світло від джерела проходить через вхідну щілину 7, встановлену в фокусі ахроматичні об'єктива коліматора 8 і далі паралельним пучком падає на диспергирующий елемент - призму Аббе. Монохроматор складається з двох труб і призменного блоку, розміщених на двох оптичних рейках. Труби монохроматора УМ-2 розташовані під кутом 90 °, а оптичні осі вхідний і вихідний труб монохроматора йдуть паралельно рейках.

Загальний опис

Існують такі поняття, як спектр випромінення (Емісійний спектр) і спектр поглинання. На відміну від суцільних спектрів твердих та рідких тіл і смугастих молекулярних спектрів атомні спектри складаються з окремих ліній, тобто є лінійчатими.

Емісійний спектр

Випромінювання атомів зумовлене переходами атомів із стану з більшою енергією E₂ у стан з меншою енергією E₁.

Частота випромінювання ν визначається з формули

     hν = E₂ — E₁,

де h — стала Планка.

Спектральні лінії об'єднуються в спектральні серії. Найпростіший за будовою атом водню має кілька серій, в яких положення ліній добре визначається формулою Бальмера. В атомні спектри багатоелектронних атомів теж вдається згрупувати лінії в серії, але з складнішою закономірністю, ніж формула Бальмера.

Атомні спектри виникають при нагріванні газу або при електричному розряді всіх видів (дуга, іскра та ін.) через гази. В першому випадку причиною збудження атомів є зіткнення їх з іншими атомами, в другому — з електронами. Теорія атомних спектрів є основою спектрального аналізу. Для одержання спектра випромінювання атоми речовини слід перевести у збуджений стан, наприклад нагріти тіло до високої температури.За високих температур атоми переходять у збуджений стан Е2, E3, Е4, Е5, в якому можуть перебувати недовго (рис. 4)

Спектр поглинання

Спектр поглинання— залежність коефіцієнта поглинання від частоти. Поряд із спектрами випромінювання, спектрами люмінесценції та іншими спектроскопічними методами, спектри поглинання широко використовуються в науці й техніці для аналізу хімічного складу та інших властивостей речовин.

Для визначення спектру поглинання зразка електромагнітні або акустичні хвилі широкого спектру пропускають через зразок. На виході випромінювання розкладають у спектр, і визначають її інтенсивність залежно від частоти (довжини хвилі). Визначення спектру поглинання часто вимагає складних розрахунків, оскільки випромінювання не тільки поглинається в зразку, а й відбивається від нього. Необхідно також знати спектр джерела, який можна виміряти незалежно.

Спектральний аналіз та його застосування

Вивчення атомних і молекулярних спектрів випромінювання і поглинання покладено в основу спеціального методу дослідження складу і будови речовини — спектрального аналізу. Він грунтується на кількісних і якісних методах дослідження спектрів електромагнітного випромінювання речовин, які спостерігають за допомогою спеціальних приладів — спектрографів і спектрометрів. Принцип дії цих приладів грунтується на їх здатності виокремлювати в просторі і часі з усього світлового потоку певні ділянки випромінювання. їх можна фіксувати фотографічним способом або вимірювати різні їхні характеристики — зміну світлового потоку, довжину хвилі спектральної лінії тощо.

Історична довідка

1802 року Вільям Волластон помітив у спектрі Сонця сім темних смуг. 1814 року їх незалежно відкрив і описав німецький фізиком Йозеф фон Фраунгофер. Пізніше він склав каталог, у якому описав 574 лінії. Сильні лінії отримали літерні позначення від A до K, а слабші були позначені рештою літер. Сучасні каталоги містять десятки тисяч фраунгоферових ліній.

Фраунгоферові лінії є важливим джерелом про хімічний склад зоряних атмосфер. У 1859 у Кірхгоф і Бунзен довели, що ідентифіковані лінії спектру емісії однозначно характеризують хімічні елементи, які їх випромінюють. Так було доведено, що в атмосфері Сонця наявні такі елементи, як водень, залізо, хром, кальцій, натрій та ін. в різних ступенях іонізації. Загалом у спектрі Сонця ототожнено лінії 72 елементів. Саме на Сонці вперше спектроскопічними методами було відкрито гелій. На основі цього було встановлено також зв'язок ліній поглинання — Фраунгоферових ліній, на спектрі адсорбції з певним хімічним елементом чи його іоном.

Власне джерела лінійчастих спектрів

Припустимо, що газ складається з атомів деякого хімічного елемента (В нашому випадку нітрогену) і розріджений настільки, що атоми майже не взаємодіють один з одним. Розкладаючи в спектр випромінювання такий газ (нагрітий до досить високої температури), ми побачимо приблизно таку картину (рис. 3). Цей лінійчатий спектр, утворений тонкими ізольованими різнокольоровими лініями, називається спектром випромінювання.

Будь-який атомарний розріджений газ випромінює світло з лінійчатим спектром. Більше того, для кожного хімічного елемента спектр випромінювання виявляється унікальним, граючи роль «паспортом» цього елементу. По набору ліній спектра випромінювання можна однозначно сказати, з яким хімічним елементом ми маємо справу.

Оскільки газ розріджений і атоми мало взаємодіють один з одним, ми можемо зробити висновок, що світло випромінюють атоми самі по собі. Таким чином, атом характеризується дискретним, строго певним набором довжин хвиль випромінюваного світла. У кожного хімічного елемента, як ми вже сказали, цей набір свій.

Фото, відео-матеріали

(рис. 3) Лінійчастий спектр азоту
(рис. 1) Оптична схема монохроматора (1 − ртутна лампа; 2 − захисний кожух ртутної лампи; 3 – світлофільтр; 4 – люмінофор; 5 − конденсорна лінза; 6 –збиральна лінза; 7 − вхідна щілина; 8 − об’єктив коліматора; 9 − дисперсійна призма; 10 − об’єктив зорової труби; 11 − візир; 12 − окуляр.)
(рис. 2) Зовнішній вигляд УМ-2 (1 – монохроматор; 2 – неонова лампочка в захисному кожусі; 3 – конденсорна лінза; 4 –оптична пара, яка складається з світлофільтра і люмінофора; 5 – ртутна лампа в захисному кожусі; 6 – блок живлення установки; 7 – барабан довжин хвиль; 8,9 –регулювальні гвинти.)
(рис. 4) Енергетична діаграма утворення лінійчастого спектру.