№ 80 (1107952), страница 3
Текст из файла (страница 3)
3совершеннонепригоднойдляописания строения многоэлектронных атомов. Полностью строениеатомов и молекул, все детали их спектров объясняются квантовоймеханикой.§ 4. Физические основы спектрального анализаОпыт показывает, что в спектрах других элементов наблюдаютсязакономерности, схожие с закономерностями в спектре водорода. Вчастности, в них также имеются серии спектральных линий. Однако составсерий и расположение линий в них обычно намного сложнее, чем вспектре водорода.
В квантовой механике показывается, чтозакономерностиспектровопределяютсянаборомдискретныхэнергетических состояний атомов. Сам же этот набор является строгоопределѐнным, характерным для атома каждого элемента и, в своюочередь, определяется составом атома – зарядом его ядра, числомэлектронов в электронной оболочке и, в малой степени, массой ядра.Таким образом, расположение линий в атомарном спектре каждогохимического элемента строго индивидуально.
Это позволяет, переведявещества с неизвестным химическим составом в газообразное (атомарное)состояние и наблюдая их спектры, путѐм сравнения с заранее известнымиспектрами чистых химических элементов определять наличие в этихвеществах тех или иных элементов, т.е. производить качественныйспектральный анализ.Яркость (или интенсивность) характерных линий отдельных элементов вспектре сложного соединения зависит от количества этих элементов всоставе соединения. Это обстоятельство позволяет осуществлять13количественный спектральный анализ, т.е.
определять не тольконаличие в составе веществ химических элементов, но также и ихпроцентное содержание. Так как интенсивность линий зависит ещѐ и отспособа возбуждения спектра, то обычно количественный анализпроводится путѐм сравнения интенсивности линий в спектре исследуемоговещества и в спектре образцов с известным заранее количественнымсоставом тех же элементов при одинаковых условияхвозбуждения спектра.Длянаблюденияспектровиспользуетсяспектральныеаппараты, среди которых различают спектроскопы, спектрографы испектрометры. Наблюдение и измерение спектров с помощьюспектроскопов производятся визуально. В спектрографах спектрырегистрируются при помощи фотопластинок.
В спектрометрахположение линий в спектре и их интенсивность определяются при помощикакого-либо приѐмника света (например, фотоэлемента), автоматическиперемещающегося вдоль спектра, показания же приѐмника отображаютсясамопишущим прибором в виде графика или числовой таблицы.ОсновнойчастьюспектральногоаппаратаявляетсяКр`АФокальнаяплоскостьобъективаLЩельSКоллиматорВПризмаСКрОб.ФФ`Ок.FОк.Рис. 4диспергирующееустройство,т.е.устройство,разлагающееисследуемый пучок света в спектр. В призменных спектральных аппаратахтаким устройством является призма. Достоинствами призменныхспектральных аппаратов являются большая яркость получаемых спектрови сравнительная простота устройства; недостатками – необходимостьградуировать аппарат по излучению, содержащему волны с известнойдлиной волны, и поглощение света в определѐнных для каждого веществапризмы областях спектра. Дифракционные и интерференционныеспектральные аппараты дают возможность находить длины волн линий висследуемом спектре сразу в единицах длины.
Обладая большойразрешающей силой, они в то же время более сложны и требуют14тщательной юстировки.§ 5. Призменные спектральные аппаратыПринцип работы. Оптическая схема призменного спектральногоаппарата изображена на рис. 4. Его основными частями являютсяколлиматор Кол, призма Пр и объектив Об. Треугольник ВАСпредставляетсобойглавноесечениепризмы,т.е.сечение,перпендикулярное еѐ боковым граням. Угол ВАС называетсяпреломляющим углом призмы, ребро, проходящее через точку Аперпендикулярно плоскости рисунка – преломляющим ребром.Свет, идущий от исследуемого источника S, попадает на щель,расположенную на конце коллиматорной трубы параллельнопреломляющему ребру призмы.
Щель находится в фокальной плоскостиобъектива коллиматора L. Расходящийся пучок света, идущий отщели, пройдя объектив коллиматора, падает далее на грань призмыпараллельным пучком. Лучи, соответствующие длине волнi,преломляются при прохождении призмы на одинаковые углы и, выйдя изпризмы, образуют параллельный пучок, в котором содержится свет толькоэтой длины волны. Каждый из таких цветных параллельных пучковсобирается объективом Об в фокальной плоскости объектива, даваяизображение щели в виде цветной полоски, параллельной преломляющемуребру призмы. Набор таких цветных полосок, находящихся в фокальнойплоскости объектива, и представляет собой спектр Кр-Ф.
В случаеспектроскопа спектр рассматривают в окуляр Ок, дающий изображение486.3 нм434.0 нмn=3456410.2 нм8656.2 нмРис. 5спектра Кр`-Ф` (Рис. 4). В случае спектрографа в фокальной областиобъектива помещают фотопластинку (Рис. 5).Теория призмы. Пусть на призму с преломляющим углом падает вплоскости еѐ главного сечения луч с некоторой длиной волны, для которойпоказатель преломления вещества призмы равен n (рис. 6). Угломотклонения луча призмой называется угол, образованныйпересечением направления, по которому луч вошѐл в призму, снаправлением, по которому он из неѐ вышел. Из рисунка при помощиизвестных теорем и закона преломления можно найти следующиесоотношения:15,i1' i2',i1 i2sin i1 n sin i1' ,sin i2' n sin i2 .(20)(21)(22)(23)''Из первых трѐх соотношений можно исключить углы i1, i2 , i2 .
В результатеугол отклоненияопределяется показателем преломления n ,преломляющим угломи углом падения i1 луча на грань призмы.Лучи, проходящие через призму под углом к плоскости главногосечения, вызывают искажения линийспектра(астигматизм).Искажениеминимально, когда лучи, проходя черезпризму,испытываютнаименьшееотклонение. Поэтому призму располагаютi2 так, чтобы углы отклонения лучей,i1i2i1образующих исследуемую область спектра,были бы близкими к углу наименьшегоотклоненияМожно показать (см.m.Рис.
6И.В. Савельев, Курс общей физики, т.3, § 1,М. 1973), что в случае угла наименьшегоотклонения ход лучей через призму симметричен относительнобиссектрисы преломляющего угла. Обратившись к рис. 6 и 7, можнонайти, что в этом случае i1' i22, i1i2'. Учитывая эти значенияm2углов, из (22) получимsinm2nsinmmm2222Рис. 7.(24)2Поэтойформуле,измеривуголнаименьшегоотклоненияиmпреломляющий угол призмы, можноопределитьпоказательпреломлениявещества призмы.Как спектральное устройство, призмухарактеризуют еѐ угловой дисперсией D- отношением разностиугловdотклонения двух лучей к разности d длинволн, соответствующих этим лучам, т.е.
Dd. Угловая дисперсияdпризмы различна для разных областей спектра. При работе вблизи угланаименьшего отклонения для лучей с некоторой длиной волны угловаядисперсия определяется свойствами призмы: еѐ преломляющим углом ,16показателем преломления n и дисперсией Dn вещества призмы дляданной длины волны.
Дисперсией вещества называется отношениеразности dn показателей преломления этого вещества для двух лучей кразности dдлин волн, соответствующих этим лучам, т.е. Dndn.dЧтобы найти связь между угловой дисперсией призмы и дисперсиейеѐ вещества для лучей, отклонение которых призмой близко кминимальному, продифференцируем пообе части равенства (24),полагаяconst и m( ) . В результате получитсяDndndcos[() / 2] d2 sin( / 2)d1 sin 2 [( m) / 2]D.2 sin( / 2)m(25)Учитывая (24), найдѐм отсюда1 n2 sin 2 ( / 2)D .2 sin( / 2)DnСпектральныйаппаратвцелом(26)характеризуетсялинейнойdfdxOРис.
8дисперсиейDx , которая равна отношению расстояния dx между двумяблизкими линиями спектра в фокальной плоскости объектива к разностиdдлин волн, соответствующих этим линиям, т.е. Dxdx. Как видно изdрис. 8, линейная дисперсия спектрального аппарата, имеющего объектив сфокусным расстоянием f , связана с угловой дисперсией соотношениемDxdxdfddDf .(27)Важной характеристикой призмы, как и любого другогоспектрального устройства, является разрешающая сила (разрешающаяспособность).Разрешающей силой А называется отношение наблюдаемой длины волнык той наименьшей разностидвух длин волн, которые ещѐ могут17быть разрешены (т.е. быть выявлены индивидуально) с помощью данногоустройства.
Невозможность разрешения с помощью спектральногоустройства двух близких спектральных линий связана с наличиемдифракции света. В случае призмы дифракция возникает вследствиеограничения ширины пучка света, выходящего из призмы. Для луча,испытывающего в призме наименьшее отклонение, разрешающая силапризмы равна (см. например, Р.В. Поль, Оптика и атомная физика, § 69, М.1966)ADnl ,(28)где Dn - дисперсия вещества призмы, l - ширина грани, противоположнойпреломляющему углу призмы ( l BC на рис.4).ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ§6 Описание установкиУстановка состоит из источниковсвета - неоновой и водородной ламп,размещенныхвнутрикожуха,гониометра ГС-5 и призмы.Устройство гониометровОбщий вид гониометра ГС–5изображен на рис.9.Здесь К - коллиматор, Т - зрительнаятруба,С - столик, на которомпомещаетсяпризма,закрытаякожухом (кожух и призманепоказаны).
В поле зрения окуляра 0трубы виден крест нитей, служащийРис. 9для наводки трубы на линии спектра.Вращением оправы окуляра можно добиться четкого изображениякреста. Подсветка креста производится лампочкой Л. Грубая наводкатрубы осуществляется вручную при освобожденном винте I. Для точнойнаводки трубы следует вращать винт 2 при затянутом винте I. Установкатрубы на бесконечность производится вращением винта 3. Для этого нульнониуса шкалы, расположенной на левой стороне трубы, совмещают сотметкой . Столик можно поворачивать вокруг вертикальной оси вручнуюпри освобожденном винте 4.
Для плавного поворота столика вращают винт 5при затянутом винте 4. На обращенном к источнику света конце трубыколлиматора имеется щель, ширину которой можно изменять при помощивинта 6. Положение щели по отношению к объективу коллиматора можноменять вращением винта 7. У гониометра ГС-5 имеется маховик 8 механизмаотсчета углов.18Отсчет угловПоложение линии в спектре определяется углом, который составляетнаправление вышедших из призмы лучей, соответствующих этой линии, снекоторым фиксированным направлением. Этотугол отсчитывается по шкалам, видным в окулярО1 с точностью до I´´. Отсчет осуществляетсяследующим образом.
С помощью выключателя,7374302расположенного слева на станине прибора,402включаютлампочкуподсветкишкал(одновременно включается лампочкаЛподсветки креста нитей). Вращением оправы253 254окуляра O1 добиваются четкого изображенияшкал в поле зрения окуляра. Смотря в окуляр Озрительной трубы, устанавливают ее (грубо - вручную, точно - вращениемвинта 2 ) так, чтобы вертикальная нить креста совпала с наблюдаемойлинией.Смотря в окуляр 01, вращают маховик 8 в ту или иную сторону доточного совмещения двойных штрихов верхней и нижней шкал левогоокна (рис.10).Число градусов определяется числом, стоящим на верхней шкале слеваот неподвижного одиночного штриха ( 73 на рис.10). На нижней шкаленаходят число, отличающееся от этого числа градусов на 1800(2530 нарис.10) и смотрят, сколько интервалов располагается между двойнымиштрихами, соответствующими этим числам ( 5 интервалов на рис.10).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
