Изучение призменного спектрографа ИСП-28: Методические указания к лабораторной работе

ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКЕ оптические приборы

ИЗУЧЕНИЕ ПРИЗМЕННОГО СПЕКТРОГРАФА ИСП-28 Описание лабораторной работы 5.1 по физической оптике

Новосибирск 1998

www.phys.nsu.ru 2

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Новосибирский государственный университет

Физический факультет Кафедра общей физики

Л. Г. Филиппова

www.phys.nsu.ru ИЗУЧЕНИЕ ПРИЗМЕННОГО СПЕКТРОГРАФА ИСП-28

Описание лабораторной работы 5.1 по физической оптике

НОВОСИБИРСК 1998

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 3

Представленные описания лабораторных работы составляют часть практикума по физической оптике для студентов второго курса физического факультета, факультета естественных наук и геологогеофизического факультета НГУ.

www.phys.nsu.ru Рецензент

© Интернет версия подготовлена для cервера Физического факультета НГУ http://www.phys.nsu.ru

©Новосибирский государственный университет, 1998

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 4

ИЗУЧЕНИЕ ПРИЗМЕННОГО СПЕКТРОГРАФА ИСП-28

www.phys.nsu.ru 1.

ВВЕДЕНИЕ

Спектрограф - прибор, пространственно разделяющий лучи различных длин волн и позволяющий получить изображение спектра. Диспергирующим устройством является определенной конструкции диспергирующая призма − призма Корню. Рабочий диапазон спектра o

2000 − 6000 Α . Оптическая схема спектрографа приведена на рис. 2. Для освещения входной щели спектрографа используется трехлинзовая система. Назначение коллиматора − направить на призму параллельный пучок: камерные объективы фокусируют излучение различных длин волн в плоскости фотопластинки. Поскольку фокусное расстояние камерного объектива зависит от длины волны, то, чтобы весь спектр получился на фотопластинке фокусированным одновременно, плоскость кассеты наклонена к оси камерного объектива под углом. Ширина входной щели регулируется барабаном с точностью 0,001 мм. Высота щели устанавливается с помощью специальной диафрагмы Гартмана.

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 5

www.phys.nsu.ru Рис. 2. Оптическая схема спектрографа 1 - источник света; 2-4 - конденсорные линзы; 5 - входная щель спектрографа; 6 - зеркальный объектив; 7 - диспергирующая призма; 8 - объектив камеры; 9 - плоскость фотокассеты.

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 6

2.

ДИСПЕРСИЯ И РАЗРЕШАЮЩАЯ

СПОСОБНОСТЬ СПЕКТРОГРАФА dϕ (1) определяет угол, на который dλ призма разделяет световые пучки близких длин волн. На рис. 3 показан ход лучей после прохождения призмы для двух длин волн λ и λ + dλ, dϕ − угловое расстояние между ними.

Угловая дисперсия Dϕ =

www.phys.nsu.ru Рис. 3

Если фокальная плоскость составляет с оптической осью объектива угол β, то расстояние на фотопластинке между dl спектральными линиями dl ′ = . Линейная дисперсия в sin β соответствии с (2) равна Dl =

f Dϕ , sin β

(6)

где f − фокусное расстояние камерного объектива. В данной работе требуется определить линейную дисперсию по двум близким линиям в спектре натрия, измерив линейное расстояние между ними с помощью компаратора. Угловая дисперсия призмы равна:

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 7

dϕ = dλ

2 sin

A 2

1 − n sin 2

A 2

dn dλ

(7)

Вывод этой формулы приведен, например, в книге “Оптика и атомная физика” под ред. Р. И. Солоухина. Новосибирск, 1976 г, стр. 72. Преломляющий угол А, призмы спектрографа ИСП-28 равен 60° и dϕ = dλ

dn . d λ 4−n 2

2

(8)

Теоретическая разрешающая способность призмы Rò åî ð = b

dn , dλ

где b - в основание призмы (для ИСП-28 b = 47 мм). Значения

(9) dn dλ

www.phys.nsu.ru можно найти в указанной выше книге, стр. 84. Реальную разрешающую способность Rпр (см. введение) можно определить, выбрав две близкие линии в спектре Na, которые находятся на пределе разрешения (практически это означает, что расстояние между ними едва заметно и если их еще сблизить, то они сольются).

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 8

3.

ТОНКАЯ СТРУКТУРА

СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ Атом щелочного металла представляет собой сложную систему, состоящую из ядра, внутренних электронов и внешнего (валентного) электрона. (Z-1) электронов щелочного атома вместе с ядром образуют “остов”, напоминающий ядро с зарядом (Z=1). Предполагая, что внешний электрон находится на достаточно большом расстоянии от ядра, атом щелочного элемента рассматривают как некую “водородоподобную” систему (внешний электрон и атомный “остаток”), где в поле эффективного заряда Zэф движется слабо связанный электрон. Линии, испускаемые атомами щелочных металлов, являются двойными (дублеты). Расщепление спектральных термов вытекает из гипотезы о собственном механическом моменте электрона - спине (S), и связанным с ним магнитным моментом, который может ориентироваться относительно орбитального магнитного момента только двумя способами, что соответствует двум значением добавочной энергии (суммарное квантовое число j = l ± 12 ). Расщепление линий за счет спин-орбитального взаимодействия называется тонкой структурой спектральных линий. Формула Ридберга для термов щелочных металлов имеет вид

www.phys.nsu.ru Tn =

Rðèä

(n − Δ ) 2

,

Rрид − постоянная Ридберга, Rрид = 1,1 105 см-1, n − главное квантовое число, Δ − квантовый дефект, выражающий отличие уровней энергии щелочных элементов от уровней водородоподобного атома. Добавка к соответствующему терму, обусловленная спинорбитальным взаимодействием равна ΔT =

3⎞ Rα 2 (z − a) 4 ⎛ 1 − ⎜ ⎟, 3 1 4 j + n⎠ ⎝ n 2

(10)

где α - постоянная тонкой структуры; α = 1137 , a - постоянная экранирования, Z - порядковый номер атома. Для атомов Na, спектр которого изучается в данной работе, постоянная a= 7,5.

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 9

4.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Градуировка спектрографа и определение длин волн в спектре Na. Перед началом фотографирования спектров ртути и натрия установить диафрагму Гартмана, используя фигурный вырез так, чтобы высота щели была равна 0,5 см. Расположение линз осветительной системы привести в соответствие с расстоянием, указанным на рис. 2. Установить ширину щели 0,035 мм. Зарядить кассету и включить ртутную лампу. Положение кассеты при фотографировании спектра ртути: 60 и 46. Выдвинуть вправо шторку кассеты при "закрытом" положении затвора (находится за щелью). При двух разных положениях кассеты время экспозиции 15 сек и 25 сек соответственно. Выключить ртутную лампу и поставить натриевую лампу (включенную заранее) непосредственно перед щелью. Перевести кассету на деление 55 и экспонировать спектр Na в течение 20 минут. Проявить пленку. Для градуировки спектрографа использовать один из спектров ртути, наиболее подходящий по почернению. Используя атлас спектральных линий Hg, найти

www.phys.nsu.ru o

реперную (опорную) линию, например, с λ = 4358 Α . На компараторе Мир-12 измерить расстояние до известных линий Hg, взятых из атласа, от опорной линии в коротковолновую область спектра до o

λ = 3000 Α . На миллиметровой бумаге построить кривую, откладывая по оси абсцисс расстояния, измеренные на компараторе, а по оси ординат длины волн в ангстремах. Соединяя точки плавной кривой, получить градуировочный график. Зная расстояния от опорной линии до всех неизвестных линий Na, расположенных от реперной линии в сторону коротких длин волн, определить по градуировочному графику длины волн спектра Na. 2. Используя таблицу длин волн Na, (в книге "Оптика и атомная физика") сравнить полученные значения λ с табличными данными. Провести отождествление линий с учетом их тонкого расщепления. 3. Выбрав две близкие линии Na, определить линейную o

дисперсию в Α /мм и сравнить полученное значение с таблицей, приведенной в описании спектрографа. 4. Вычислить теоретическую разрешающую способность спектрографа, используя данные по показателям преломления кварца,

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 10

приведенным в книге "Оптика и атомная физика" - издания 1976 г. (белая обложка), стр. 84. 5. Вычислить практическую разрешающую способность (ô-ëà 4) спектрографа, выбрав едва различимые линии Na для определения δλ , и сравнить ее с Rтеор.[ф-ла (9)] 6. Определить длины волн желтого дублета натрия (по формуле для термов).

λ=

T3P 3 2 = T3P + ΔT1,

T3P =

T3P1 2 = T3P + ΔT2 ,

T3S =

Rрид 2 , ) (163

Rрид 2 , ) (212

,

,

1 , ΔT1 и ΔT2 вычисляются по формуле (10). Квантовые T1 − T2

дефекты 3S и 3P термов равны соответственно 1,37 и 0,88. Схема расщепления приведена на рис. 4.

www.phys.nsu.ru j=3/2

T3P3/2

3P T3P1/2

j=1/2

λ1

3S

λ2 j=1/2

Рис. 4

Вопрос: Возможно ли наблюдать на данном спектрографе тонкое расщепление желтой линии натрия? 7. Зная Δλ для желтого дублета вычислить Rпр в этой области спектра. Вопрос: Каким образом можно увеличить эту разрешающую способность?

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 11

ЛИТЕРАТУРА

www.phys.nsu.ru 1. “Оптика и атомная физика”, лабораторный практикум по физике, под ред. Р. И. Солоухина, Новосибирск, “Наука”, 1976. 2. В. В. Лебедева, “Техника оптической спектроскопии”, МГУ, 1986. 3. Г. С. Горелик, “Колебания и волны”, Москва, 1975. 4. Ф. А. Королев, “Теоретическая оптика”, Москва, “Высшая школа”, 1996. 5. К. И. Тарасов, “Спектральные приборы”, Ленинград, Машиностроение, 1968.

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 12

Лилия Григорьевна Филиппова

ИЗУЧЕНИЕ ПРИЗМЕННОГО СПЕКТРОГРАФА ИСП-28

www.phys.nsu.ru Описание лабораторной работы 5.1 по физической оптике

© Интернет версия подготовлена для cервера Физического факультета НГУ http://www.phys.nsu.ru

____________________________________________________________ Подписано в печать Формат 60×84/16 Офсетная печать Уч.-изд. л. Заказ № Тираж 100 ____________________________________________________________ Редакционно-издательский отдел Новосибирского университета; участок оперативной полиграфии НГУ 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2

www.phys.nsu.ru