Для чего на входе спектроскопа стоит щель кратко

Обновлено: 02.07.2024

Вопрос о ширине входной щели спектрального прибора очень важен в спектроскопии. От ширины щели и условий ее освещения зависит как интенсивность спектральной линии, так и практическая разрешающая способность спектрального прибора. [3]

Освещенность пластинки пропорциональна яркости входной щели спектрального прибора , а яркость входной щели, в свою очередь, пропорциональна интенсивности / излучения источника света. [4]

Для исправления кривизны спектральных линий входную щель спектрального прибора иногда делают с некоторой компенсирующей кривизной обратного знака. В монохроматорах искривленной изготавливают иногда выходную щель. [5]

Во сколько раз необходимо уменьшить площадь входной щели спектрального прибора или напряжение на ФЭУ, чтобы снизить фототок до 0 1 - 1 мка. [6]

Излучение анализируемого образца через систему линз попадает на входную щель спектрального прибора , в котором излучение разлагается в спектр - диспергируется. В спектре излучение каждой длины волны образует одну линию. В зависимости от количества излучений разных длин волн получается различное число линий, которые регистрируются приемником света. [8]

В более редких случаях интенсивность исследуемой линии сравнивают с интенсивностью некоторого участка спектра ( фона или линии) той же длины волны в спектре вспомогательного источника света постоянной интенсивности; стандартным источником света освещают участок входной щели спектрального прибора , остальная ее часть освещена исследуемым источником. Тогда наблюдают два соприкасающихся спектра, расположенных один под другим. [9]

В качестве примера на рис. 51 приводится аналитическая кривая для определения алюминия в никелевом сплаве по линиям 3961 52 и 3944 03 при следующих условиях: ток дугового разряда За, фаза под-жига 90, вспомогательный электрод медный, промежуток 1 7 - 2 0 мм, входная щель спектрального прибора 0 025 мм, выходная щель 0 07 мм, время обжига 10 сек. [11]

При регистрации отдельных спектральных линий обратная пропорциональность между L и Rp также имеет место, однако выражается несколько сложнее. При расширении входной щели спектрального прибора увеличивается ширина спектральной линии и разрешение снижается, так как близкие спектральные линии сливаются и накладываются друг на друга. Таким образом, ширина геометрического изображения входной щели ( строго говоря, с учетом аберраций) определяет разрешающую способность. [12]

Рассмотрим интерференционную установку, состоящую из монохроматора и ИФП, предназначенную для исследования многолинейчатых спектров. В этом случае входную щель спектрального прибора , скрещенного с ИФП, приходится делать малой, а спектральные линии становятся узкими. Пусть для определенности ИФП расположен за монохроматором. Принято считать, что в этом случае вместо круглой действует прямоугольная диафрагма. При расположении ИФП впереди спектрального прибора прямоугольную диафрагму образует входная щель спектрального прибора, ограниченная по высоте. [14]

Фабри-Перо и можно наблюдать неподвижную интерференционную картину при перемещении глаза наблюдателя ( как это описано в § 17), необходимо правильно сочленить интерферометр и спектрограф. Вначале наблюдают картину интерференции на входной щели спектрального прибора . Путем поворота корпуса интерферометра вокруг вертикальной и горизонтальной осей совмещают центр картины с центром щели, а перемещая объектив 02 ( см. рис. 22.1) вдоль оптической оси, достигают наиболее резкой картины. [15]

8. Как устроен спектроскоп?

Для получения чётких и ярких спектров используют специальные оптические приборы: спектрографы и спектроскопы.

Спектроскоп был сконструирован в 1815 г. немецким физиком Йозефом Фраунгофером.
Этот прибор был необходим учёному для исследования дисперсии.

Принцип действия спектрографа:

В коллиматоре (К) имеется узкая щель S.
Через эту щель исследуемый свет входит в прибор и расширяющимся пучком падает на линзу Л1.
Щель S расположена в фокальной плоскости этой линзы, поэтому свет выходит за линзыой параллельным пучком и падает на призму П.

Волны разных цветов (т. е. разных частот) отклоняются призмой на разные углы.
Из призмы выходят параллельные пучки разного направления (на рисунке показаны крайние лучи только двух пучков - красного и фиолетового).
Эти пучки, преломившись в линзе Л2, образуют в её фокальной плоскости ЭЭ1 изображения щели S.
Причём изображения, соответствующие волнам разных частот, приходятся на разные места плоскости ЭЭ1.

Если на щель падает белый свет, то все изображения щели сливаются в цветную полосу, в которой представлены все цвета.
Если же исследуемый свет представляет собой смесь нескольких монохроматических (простых) цветов, то спектр получится в виде узких линий соответствующих цветов, разделённых тёмными промежутками.

2. Какого вида спектр получается с помощью спектроскопа, если исследуемый в нем свет представляет собой смесь из нескольких простых цветов?

9. Что такое спектрограмма?

Фотография спектра называется спектрограммой.

10. Чем спектрограф отличается от спектроскопа?

В спектрографе в плоскости ЭЭ1 помещается фотопластинка, на которой получается фотография спектра.

Если же в плоскость ЭЭ1 поместить матовое стекло, то образующийся на нём спектр можно наблюдать глазом, увеличив изображение с помощью линзы.
В этом случае прибор называется спектроскопом.

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 0_к. Объектив О₂ служит для того, чтобы фокусировать вышедшие из призмы П параллельные цветные лучи в своей фокальной плоскости. Окуляр О_к 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 О_к 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.

Щель — весьма ответственная часть спектрального прибора, поскольку каждая спектральная линия представляет собой изображение щели.

Щель ограничивается так же и по высоте, для чего служат специальные диафрагмы, которые устанавливаются перед щелью. 11л рис. 42 показана наиболее распространенная диафрагма. Как видно из рисунка, перемещая диафрагму относительно щели, можно не только ограничивать высоту щели, но и освещать различные участки.

Диспергирующая система предназначена для пространственного разделения пучков света различных длин волн. В качестве диспергирующих элементов используются призмы, дифракционные решетки, а также интерферометр Фабри-Перо и другие приборы.

Рассмотрим ход лучей в призменном спектральном приборе (рис.2). Пусть источник 1 излучает свет только двух длин волн λ₁ и λ₂. Выйдя из коллиматора, параллельный пучок света падает на призму 5 под одним и тем же углом. Для света длины волны λ₁ показатель преломления имеет значение n₁. Поэтому параллельно падающие лучи света с одинаковой длиной волны одинаково преломляются на гранях призмы и выходят из нее снова параллельным пучком под некоторым углом φ₁ к первоначальному направлению. Лучи другой длины волны также выйдут из призмы параллельным пучком, но в другом направлении, под углом φ₂, т.к. n₁(λ₁) ≠ n₂(λ₂)(рис. 2 и 3). Так призма осуществляет пространственное разделение световых пучков различных длин волн.

Рис. 3. Ход лучей света двух разных длин волн λ₁ и λ₂ через призму

Объектив камеры 6 собирает параллельные пучки света, выходящие из призмы, в своей фокальной плоскости 6. Так как лучи различных длин волн имеют после призмы различные направления, то в фокальной плоскости объектива камеры получается ряд параллельных, различно окрашенных изображений щели, образующих систему спектральных линий – спектр излучения источника (рис. 4, а).

Рис. 4. Система спектральных линий излучения ртути (а) и соответствующее распределение интенсивности света в спектре (б)

Приемно-регистрирующая часть. В фокальной плоскости объектива (6) камеры получается спектр, доступный измерению данным прибором. Если с этой плоскостью совместить эмульсию фотопластинки и включить источник света, то после проявления на пластинке появится в виде темных линий сразу весь участок спектра. Приборы подобного типа именуются спектрографами.

Можно поступить иначе: на пересечении оптической оси прибора с фокальной плоскостью объектива установить вторую щель (выходную), параллельную входной. Выходная щель при соответствующей ширине вырежет из всего спектра только одну спектральную линию. Такие приборы называют монохроматорами. С их помощью также можно изучить весь спектр, но для этого необходимо поворачивать диспергирующий элемент. Тогда через выходную щель последовательно пройдут все линии спектра. Если теперь поставить за щелью фотоприемник с усилителем (например, фотодиод или фотоэлектронный умножитель), а призму вращать автоматически, то можно записать весь спектр в виде максимумов интенсивности фотосигнала, расположенных в определенном порядке (рис. 4, б).

В последнее время в качестве фоторегистратора используются специальные матрицы и линейки фоточувствительных элементов (ПЗС–матрицы и ПЗС–линейки; ПЗС – прибор с зарядовой связью) формирующие сигнал в телевизионном формате. В сочетании со специальной платой ввода изображений и компьютером такие устройства позволяют получать в цифровом виде информацию о распределении интенсивности в спектре излучения. Фотоэлектрическая запись спектра имеет то преимущество, что на графике одновременно регистрируются длины волн, относительные интенсивности и форма спектральных линий.

Рис. 5. Анализатор спектров фотоэлектрический к спектрографам и квантометрам ФЭП-454

широкий диапазон спектральной чувствительности;

высокая квантовая эффективность твердотельных приёмников;

прямой ввод спектра в компьютер и автоматизированная

отсутствие фотометрирования;

отпадает необходимость в фотоматериалах и их обработке;

экспрессность проведения анализа;

широкий динамический диапазон интенсивностей;

получение результатов в реальном масштабе времени;

высокая точность количественного анализа;

возможность создания и простота ведения баз данных.

Рис. 6. Схема образования и переноса заряда в ячейке ПЗС устройства

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

В простейшем случае за фокальной плоскостью объектива можно поставить окуляр зрительной трубы и наблюдать спектр визуально. Приборы такого типа называются спектроскопами — оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения. Используется для быстрого качественного спектрального анализа веществ в химии, металлургии (например, стилоскоп) и т.д.

Оптические характеристики спектрального прибора. К основным характеристикам спектральных приборов, определяющим их функциональные возможности, относятся: дисперсия (угловая и линейная), разрешающая способность и светосила (относительное отверстие).

Угловая дисперсия D_ϕ характеризует способность диспергирующего элемента отклонять излучение различных длин волн на разные углы

где dφ - угол между лучами с длинами волн λ и λ+dλ .

Линейная дисперсия D_l является характеристикой прибора в целом. Она определяет линейное расстояние dl между спектральными линиями с длинами волн λ и λ+dλ в фокальной плоскости объектива камеры. Линейная дисперсия пропорциональна угловой D_φ и фокусному расстоянию объектива f₂ :

(6)

Разрешающая способность. Ранее было показано в (2) и (4), что наблюдаемая спектральная линия имеет конечную ширину. Поэтому линии двух близких волн не всегда и не любым прибором удается наблюдать раздельно, они как бы сливаются, накладываясь друг на друга. Для каждого прибора существует предельная разность в длинах волн двух линий, которые еще могут наблюдаться раздельно: ∆λ = λ₂ – λ₁. Для призменных приборов эта разность не постоянна по спектру, она зависит от средней длины волны λ = (λ₁+λ₂)/2 этих линий.

Разрешающая способность R есть количественная оценка способности спектрального прибора различать две близко расположенные спектральные линии:

(7)

Светосила и относительное отверстие спектральных приборов. Для повышения чувствительности анализа важно, чтобы в спектральный прибор попадала максимально возможная доля энергии, излучаемой источником. Для этой цели применяются различные осветительные системы, задачей которых является: равномерное освещение щели и формирование пучка с углом падения на щель α, равным угловому размеру объектива коллиматора β . Допустим, что это условие выполнено. Тогда величиной, определяющей часть энергии, попадающей в прибор, является угол β , который определяется из условия

Обычно за меру светосилы прибора принимают величину D/f₁, называемую относительным отверстием. Для фотообъективов D/f колеблется от 1:1,2 до 1:4 (нормальные объективы) и даже 1:20 (длиннофокусные телеобъективы). Чтобы увеличить светосилу диаметр телеобъективов приходится делать большим. Относительные отверстия спектральных приборов в зависимости от их назначения колеблется от 1:2 до 1:40.

Читайте также: