Зачем в спектроскопе призма объектив окуляр кратко
Обновлено: 18.04.2024
и проектирования его на экран в затемненном классе. В нем три склеенные между собой стеклянные призмы: крон-флинт-крон (система Амичи).
Для того чтобы ориентироваться в длинах наблюдаемых в спектроскоп волн, следует помнить, что средней части цветных полос соответствуют следующие длины волн:
фиолетовой 400-440 миллимикрон
Светящиеся источники для получения спектров описаны в § 2, но, кроме того, следует иметь в виду, что пары многих веществ можно получить в пламени спиртовки или в пламени газовой горелки. Спектры поглощения следует наблюдать, помещая растворы солей в плоскопараллельные кюветы, установленные перед щелью коллиматора.
Микроскопы. Для обеспечения большинства экспериментов, знакомящих с устройством микроскопа, достаточно иметь в школе обычно в кабинете биологии, микроскоп типа МБ (биологический). Такой микроскоп обеспечивает увеличение до 800х, имеет шарнирный штатив, что позволяет располагать его тубус как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях.
Рис. 14. Спектроскоп двухтрубный
а-общий вид: 1 - подставка; 2 - подъемная штанга; 3 - столик; 4 - зажим трубки окуляра;
5 - подставка для призмы; 6 - окуляр; 7 - призма; 8 - коллиматор; 9 - микрометрический винт.
6 - ход лучей: А - коллиматор; В - зрительная труба; С - призма; 5 - щель коллиматора; S1 - волосок зрительной трубы, Oi - линза коллиматора; 02 - линза-объектив; 03 - линза-окуляр; К - красный луч; Ф - фиолетовый луч.
ным целям соответствуют две системы телескопов, выпускаемых учебной промышленностью: телескоп-рефрактор с 8х увеличением, а также менисковый телескоп системы Максутова - школьная модель*
1. Коллиматор К, представляющий собой трубку с объективом О1 на одном конце и со щелью Щ на другом. Щель коллиматора освещается лампой накаливания. Т.к. щель находится в фокусе объектива О1, то лучи света, выйдя из коллиматора, падают на призму П параллельным пучком.
2. П – призма, в которой происходит преломление и разложение пучка лучей по их длине волны.
3. Зрительная труба Т состоит из объектива О2 и окуляра 0к. Объектив О2 служит для того, чтобы фокусировать вышедшие из призмы П параллельные цветные лучи в своей фокальной плоскости. Окуляр Ок представляет собой лупу, через которую рассматривается изображение, даваемое объективом О2.
Рис. 1. Устройство спектроскопа и образование спектра.
Образование спектра в спектроскопе происходит следующим образом. Каждая точка щели спектроскопа, освещенная источником света, посылает в объектив коллиматора лучи, выходящие из него параллельным пучком. Выйдя из объектива, параллельный пучок падает на переднюю грань призмы П. После преломления на ее передней грани пучок разделяется на ряд параллельных монохроматических пучков, идущих по разным направлениям в соответствии с различным преломлением лучей разных длин волн. На рисунке 1 изображены всего два таких пучка - например, красного и фиолетового цвета определенных длин волн. После преломления на задней грани призмы П лучи выходят в воздух по-прежнему в виде пучков параллельных лучей, составляющих друг с другом некоторый угол.
Преломившись в объективе О2, параллельные пучки лучей различных длин волн соберутся каждый в своей точке задней фокальной плоскости объектива. В этой плоскости получится спектр: ряд цветных изображений входной щели, число которых равно количеству различных монохроматических излучений, имеющихся в свете.
Окуляр Ок располагается так, чтобы полученный спектр находился в его фокальной плоскости, которая должна совпадать с задней фокальной плоскостью объектива О2. В этом случае глаз будет работать без напряжения, т.к. от каждого изображения спектральной линии в него будут входить параллельные пучки лучей.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что понимают под дисперсией света?
2. Что такое спектр?
3. Какой спектр называется непрерывным или сплошным?
4. Излучения каких тел дают полосатые спектры?
5. Какие тела при излучении дают линейчатый спектр? Что он из себя представляет?
6. Объясните образование спектров в спектроскопе.
7. Правило Кирхгофа.
8. Что называется спектральным анализом?
9. Применение спектрального анализа.
10.Какие тела называются белыми, черными, прозрачными?
ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
| Последовательность действий | Способ выполнения задания |
| 1. Получение спектра испускания от лампы накаливания. | Включите лампу накаливания в сеть. Расположите щель коллиматора так, чтобы падающий пучок света попадал в нее. Добейтесь при помощи микрометрического винта наиболее четкого спектра источника света и полученный спектр зарисуйте и опишите. |
| 2. Получение спектра паров натрия. | Вату на проволоке смочите спиртом и укрепите в лапке штатива на высоте щели коллиматора. Зажгите вату и наблюдайте сплошной спектр. Посыпав вату с горящим спиртом поваренной солью, наблюдайте появление в спектре яркой желтой линии паров натрия. Зарисуйте полученный спектр паров натрия. |
| 3. Получение спектра поглощения оксигемоглобина. | Расположите пробирку с кровью между лампой и щелью коллиматора, установите границы полос поглощения. Зарисуйте спектр поглощения, добившись четкого его изображения, укажите особенности. |
| 4. Сделайте вывод |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19
МОТИВАЦИЯ ЦЕЛИ. В химии и медицине для определения концентрации оптически активных веществ в растворе применяют поляризационные приборы - поляриметры. Поэтому будущему врачу необходимо знать физические законы, положенные в основу работы прибора, его устройство и уметь им пользоваться для определения концентрации сахара в моче.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Сахариметр, растворы известной концентрации, раствор неизвестной концентрации, дистиллированная вода, пипетка.
ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ
1. Природа света.
2. Явление поляризации света.
3. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса.
4. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков.
5. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Призма Николя.
6. Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Поляриметрия.
7. Устройство поляриметра, принцип его действия и применение.
8. Измерение концентрации оптически активных веществ с помощью поляриметра.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой векторы совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях синфазно. Причем естественный свет и свет, полученный от искусственных источников (кроме лазеров), имеет равновероятные плоскости колебаний векторов .
Электромагнитную волну, в которой векторы лежат в определенных плоскостях, называют плоскополяризованной. Плоскость, в которой лежит вектор , называют плоскостью поляризации. Кроме того, вектор называют световым вектором, т.к. электрическая составляющая вызывает фотохимические реакции и вызывает светоощущения.
В спектр видимого излучения входят 7 цветов.
Спектроскоп и принцип его работы.
Исторически первые спектроскопы строились на принципе использования видимого света, подвергнутого дисперсии с помощью призмы. Длина волны фиксировалась с помощью встроенной в прибор шкалы, её положение устанавливали по известным ярким спектральным линиям эмиссионного излучения отдельных веществ. Позже понятие было расширено, и теперь оно включает любые измерения интенсивности излучения как функции длины волны излучения (или частоты). Таким образом спектроскопия позволяет изучать взаимодействие излучения с веществом в переменной области частот.
Схема простейшего спектроскопа направленного.
Параллельные лучи света от источника направляются на призму под углом. При прохождении из одной оптической среды в другую лучи имеющие большую длину волны отклоняются на больший угол. Так как все лучи с одинаковыми длинами волн выходят из призмы параллельными между собой, то объектив собирает их в одну точку фокальной плоскости. В этой плоскости лучи одного цвета дают изображение узкой щели: геометрическое место всех изображений даваемых различными лучами, входящими в состав исследуемого пучка, называется призматическим спектром данного излучения. Так как изображение спектра мало, то для увеличения его применяют окуляр, действующий как обычная лупа.
Разложение белого света (1) на цветной спектр (2),
и отражённая часть (3).
Ньютон применил для анализа света призму. Метод анализа спектров усовершенствовал в прошлом столетии немецкий физик Густав Кирхгоф. Он создал первый спектроскоп. С помощью этого прибора было совершено немало выдающихся открытий. Главной деталью спектроскопа осталась призма.
Если световой луч падает на плоскую грань призмы (Откуда берется цвет?)т. е. на границу раздела двух сред (воздуха и стекла), под углом α , то какая-то часть света отразится, а другая часть войдет в стекло и преломится в нем, т. е. изменит свое первоначальное направление. При этом все три луча — падающий А-А, отраженный Б-Б и преломленный В-В — лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на грань призмы в точку падения луча А-А. Углы α и β связаны зависимостью:
sin α =nsin β .
Преломляемость лучей света характеризуется показателем преломления п. Для лучей с разной длиной волны преломляемость разная. Этим законом определяется ход лучей в призме.
Лучи света с разной длиной волны призма спектроскопа отклоняет на разные углы. Если на призму падает луч, представляющий собою смесь желтого и зеленого монохроматических излучений, то желтая часть луча будет отклонена призмой меньше, чем синяя. При этом цвет падающего луча будет зеленым. У каждого сорта стекла свой показатель преломления для лучей с волнами определенной длины. На основании этого рассчитывается ход лучей в призме спектроскопа.
Например, у сорта стекла К-8 показатель преломления для лучей синего цвета n=1,522 ( λ =0,486 мк), для лучей желтого цвета nD=1,516 ( λ =0,589 мк). На рисунке 4 ( Откуда берется цвет?) показана оптическая схема простейшего спектроскопа. Труба D называется коллиматором. Перед ее щелью А установлен источник света, спектр которого должен быть изучен. Свет пламени будет выходить из коллиматора почти параллельным пучком, или, как говорят, пучком малой расходимости. На расстоянии f от щели А расположена двояковыпуклая линза L — кусок стекла, поверхность которого образована частями сферы. В просторечии такую линзу называют увеличительным стеклом.
На рисунке 7 изображена двояковыпуклая линза. Ось А-А, перпендикулярная к поверхностям линзы и проходящая через ее центр, называется главной оптической осью. Если на линзу бросить пучок параллельных лучей света, то все они соберутся в одном малом пятнышке F, которое можно принять за точку. Эта точка называется фокусом линзы. Плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси, называют фокальной плоскостью. Если параллельный пучок падает на линзу под углом α к оси А-А, то он соберется в точке В фокальной плоскости. Угол ВОF будет равен углу α . Если в точках В и F поместить точечные источники света, то их лучи выйдут из линзы параллельными пучками, угол между осями которых равен α .
Вернемся к оптической схеме спектроскопа (Откуда берется цвет?). Щель коллиматора А расположена в фокальной плоскости линзы L1. Эта щель, как правило, должна быть очень узкой. Если перед щелью помещены два источника света — желтого ( λ =0,589 мк) и синего ( λ =0,470 мк), то световые пучки, пройдя через призму, дадут в фокальной плоскости линзы L2 два изображения щели — желтое и синее. Их можно увидеть, если в фокальной плоскости В-В поставить матовое стекло. Между главной оптической осью линзы L2 и осями этих световых пучков образуются различные углы: для желтого цвета — угол α 1, для синего — угол α 2.
В спектроскопе матовое стекло не ставят, а рассматривают спектр через дополнительную линзу — окуляр. Эта линза дает увеличенное изображение спектра и позволяет изучать его детали.
Ньютон разложил белый свет очень просто, без каких-либо дополнительных линз, потому что у него был очень интенсивный источник света — Солнце. В яркий солнечный день освещенность примерно в тысячу раз больше, чем освещенность, которую создает лампа накаливания мощностью в 100 вт на расстоянии 1 м. Солнечные лучи падают на Землю почти параллельным пучком, расходимость такого пучка всего 30'. Значит, у Ньютона не было необходимости создавать параллельный пучок и линза L1 была ему не нужна. Ньютон мог отнести экран на большое расстояние. За счет этого разноцветные пучки света в его опыте хорошо разделялись; правда, уменьшалась освещенность экрана, но с таким ярким источником света, как Солнце, это не играло роли. Поэтому не нужна ему была и линза L2. Источники света, с которыми обычно имеют дело современные исследователи, во-первых, дают пучки большой расходимости (за исключением звезд, свет которых анализируют спектроскопом), а во-вторых, их яркость ничтожна по сравнению с яркостью Солнца.
Явление дисперсии лежит в основе устройства призменных спектральных приборов: спектроскопов и спектрографов, которые служат для получения и наблюдения спектров. Ход лучей в простейшем спектрографе показан на рисунке 17.33. После освещаемой источником света щели Щ, помещенной в фокусе линзы L1 коллиматора, идет пучок расходящихся лучей, который, пройдя линзу L1 (коллиматорный объектив) становится параллельным пучком лучей. Этот параллельный пучок, преломляясь в призме, разлагается на пучки света разного цвета (разной \(\lambda\)), которые собираются линзой L2 (камерным объективом) в ее фокальной плоскости, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Совокупность этих изображений и представляет собой спектр.
Спектр можно наблюдать через окуляр, используемый в качестве лупы. Такой прибор называют спектроскопом. Если нужно получить фотографию спектра, то фотопластинку помещают в фокальной плоскости камерного объектива. Прибор для фотографирования спектра называют спектрографом.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 526-527.
Читайте также: