Г. Юинг - Инструментальные методы химического анализа, страница 7

Диоксид алюминия (в виде искусственного сапфира) дороже диоксида кремния и не имеет преимуществ перед кварцем. Интервал пропускания этих материалов простирается от почти 200 нм в УФ-области до почти 4 мкм в ИК-области. Диспергирующая способность кварца в видимой области ухудшается, поэтому его заменяют оптическим стеклом. Призмы для ИК-области можно изготовить 'из солей типа НаС!, КВг или СЗВг, но их нужно изолировать от атмосферной влаги.

Эти и другие прозрачные в ИК-области материалы будут рассматриваться в гл. 4. Простейший призменный монохроматор состоит из правильной призмы и двух линз (рис. 2-10). Излучение входит через щель Зг, собирается в параллельный пучок коллиматорной линзой и падает под косым углом на грань призмы. После разложения излучение фокусируется второй линзой таким образом, чтобы в центр выходной щели Зз попадало излучение нужной длины волны (в форме входной щели), Этот прибор можно сделать более компактным и экономичным, направив разлогкенный свет в обратную сторону; в результате получится конструкция Литтрова, показанная иа * Некоторые ионные кристаллы, например МаС! и Мягз, прозрачны для УФ- и видимого излучения, ио редко используются в этих областях. Интенсивное УФ-излучение вызывает образование в них окрашенных центров, что снижает прозрачность.

2 заказ га ззт 34 Глава 2 Введение в оптические методы 35 способного отраггсаться от металлической поверхности (т. е. от УФ- до ИК-области). Дело в том, что в этом случае излучение не проходит через поглощающий материал, который может ограничить интервал длин волн; кроме того, зеркало фокусирует излучение всех длин волн в одну точку, а линза не обладает такой способностью. В особых случаях используются и другие типы призм. Рис. 2-!О. Ход лучей в спектрографе или моиохроматоре с правильной призмой (с угламн 60').

В случае спектрографа держатель фотопластинки или фотопленки помещают в фокальной плоскости (от Р, до Р,). В моиохроматоре имеется выходная щель 5з. онт — ь- ) я Зеркало Рпс. 2-1!. Схема мопохроматора с призмой Литтрова; а — с полевой линзой и выходной щелью; поток излучения направляется иа нее при помощи зеркала М; б — с вогнутым зеркалом на месте линзы. Диспергирующая призма с углом 30' с зеркальной задней гранью укреплена на столике, который можно вращать для установления длины волны.

рис. 2-11. Правильную призму заменяют призмой с углом 30' (с той же диспергирующей способностью) и зеркальной задней гранью, Теперь одна и та же линза может служить коллиматором для входящего излучения и фокусирующим элементом' для разложенного потока. Во многих случаях желательно заменить линзу сферическим зеркалом (рис. 2-11, б). Достоинство такой схемы заключается в том, что зеркало одинаково пригодно для любого излучения, Разложение излучения дифракционными решетками пучков: угол отклонения равен О, разность хода лучей от соседних щелей равна а, расстояние между центрами соседних штрихов (период решетки) составляет с(.

Как следует из рисунка, а = д ° з)п 6. Отсюда вытекает фундаментальное соотношение, называемое уравнением дифракционной решетки: 11 1! тХ =- с(з)п 0 (2-6) где т — любое целое число О, 1 2, 3, ..., называемое порядком аг Х вЂ 'длина волны. Рис. 2-12. Днфракцпя в плоской решетке на пропускаиие. *Обычно порядок обозначается буквой и, но в втой книге использована буква ш во избежание путаницы с показателем преломления. В современных приборах для разложения излучения чаще всего используется дифракционная решетка.

При прохождении потока монохроматического излучения через прозрачную пластинку, на которую нанесено большое число очень тонких параллельных штрихов, наблюдается его расщепление на множество пучков. Один из них проходит прямо, как будто пластинка не разлинована, другие же отклоняются (как это показано на рис. 2-9, б) под разными угламп, величина которых зависит от расстояния между штрихами и длины волны излучения.

Это явление можно объяснить, предположив, что каждая щель между штрихами при освещении сзади становится как бы источником излучения, распространяющегося во всех направлениях. Однако лучи, исходящие от этих вторичных источников, в большинстве направлений взаимно уничтожаются вследствие интерференции. Только те пучки, которые проходят под одинаковыми геометрически правильными углами, усиливаются. На рис. 2-12 изображен один из отклонившихся Зб Глава 2 Введение в оптические методы 37 Из уравнения (2-6) следует, что при прохождении через решетку поток полихроматического излучения разбивается иа серию спектров, расположенных симметрично относительно нормали. Спектры, лежащие по обе стороны от нормали, соответствуют каждому из нескольких первых значений пт.

Из уравнения также вытекает, что для данного угла О должно существовать несколько длин волн с одинаковым значением пт),. Например, решетка, имеющая 2000 штрихов на сантиметр (период решетки с(= 1/2000=6 ° 10 4 см), будет отклонять (под углом 9=6,89') излучение с длинами волн, вычисляемыми по уравнению /( Мп 0 (5 1Π— 4) (з1п 6,89') (5 !0-а) (0,1200) Х= /и 6,00 10 ' 600 ем = — нм lл /и Ниже приведены длины волн, соответствующие последовательным порядкам при этом угле: Порядок л/ 1 2 3 4 Длина волны Х, нм 600 300 200 150 Это соотношение представлено схематически на рис.

2-13 (даны длины волн по одну сторону нормали). ефролчоонноя ю+ о 'ъ ..о ее ПЧРдок 2 Ъ '~ рерлзок з ',,;„-а -о 6/фя///ил длина волны, иМ Рнс. 2-13. Наложеине спектров разных порядков при разложении света в ре. н/етке на пропусканне. Уравнение (2-6) применимо и к более общему случаю. Если излучение падает на поверхность решетки под некоторым углом тр, то уравнение решетки выглядит так: гп) - = с( (51п 0 + з!п ф) (2-7) Перекрывание спектров последовательных порядков кажется на первый взгляд существенным недостатком, однако на практике это не имеет большого значения. Если изучается видимая область спектра, то вопрос вообще не возникает, поскольку в этой области (400 — 760 нм) разные порядки не перекрываются. Если спектр фотографируют, то степень перекрывания хотя бы частично ограничивается чувствительностью фотопластинки или фотопленки.

Перекрывание можно уменьшить нли устранить, установив перед решеткой вспомогательную призму с малой дисперсией (называемую призмой для отбора спектра нужноео порядка) или используя светофильтры, поглощающие одну область спектра и' пропускающие другую. Описанная выше решетка относится к типу плоской дифракционной решетки на пропускание. Па практике чаще применяют огражательнь/е дифрак/(ионные решетки, небольшие по размеру и удобные в обращении.

Штрихи наносят на зеркальную поверхность, представляющую собой полированную металлическую пластинку или покрытую пленкой металла стеклянную пластинку. Отражательную решетку можно разлиновать так, чтобы максимум излучательной энергии приходился на те длины волн, которые днфрагируют при выбранном угле. Это достигается при помощи специального алмаза, укрепляемого под заданным углом. Такая решетка называется эшелегтом; с ее помощью при правильно выбранном угле излучение концентрируется в первом порядке.

На рис. 2-14 представлена часть отражательной решетки типа эшелетта н схематически показан ход лучей. Обозначим угол между более широкой гранью бороздки и плоскостью решетки через тр. Луч, падающий под углом а, отражается от грани бороздки под углом р; очевидно, что а+ар=() — тр. Лучи, отражающиеся от соседних бороздок, интерферируют, как описано выше. Благодаря сильному отражению зеркальной металлической поверхностью большая часть энергии при данном значении а будет дифрагировать при угле 6. При углах, близких по величине к (), энергия будет лишь немного ниже, поэтому решетку можно' успешно использовать в большом интервале длин волн данного порядка.

Решетка, дающая максимум дифракции при определенной длине волны в спектре первого порядка, дает вдвое менее интенсивный максимум при той же длине волны в спектре второго порядка, втрое менее интенснв- Введение в оптические методы 39 38 Глава 2 Вхоо щел Нормоль и раюешке рпческсе ркнло Ди р цо7нн реше и1пй Выл и1е Рис. 2.14. Ход лучей в концентрирующей отражательной решетке (зшелетте).

ный максимум в спектре третьего порядка и т. д. В направлениях по другую сторону от нормали излучение практически не отражается. В целом наилучшие результаты получаются в том случае, если период решетки по порядку величины совпадает с длинамн волн диспергируемой области. В некоторых случаях более выгодными оказываются другие соотношения между периодом решетки н длиной волны.