Изучение спектров поглощения светофильтров

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория оптики и физики атома №2 (012)

РАБОТА № 12

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ

СПЕКТРОГРАФА ИСП – 51.

Отредактировано: профессор Ульянов А.И.

ассистент Воронцова Е.Н.

Ижевск, 2011

РАБОТА № 12

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ

СПЕКТРОГРАФА ИСП – 51.

В 1666 г. Ньютон обнаружил, что если белый луч света направить на прозрачную трехгранную призму (рис. 1), то на экране наблюдается цветная полоса с семью главными цветами и бесконечным числом оттенков от красного до фиолетового цвета, которую назвали сплошным спектром.

С точки зрения волновой теории белый свет представляет собой электромагнитные волны, длина волны l которых лежит в интервале от 400 до 760 нм. Разложение светового луча в спектре происходит потому, что составляющие белого света, то есть свет с различной длиной волны распространяются в данной среде с различной скоростью. Так, например, скорость распространения в стекле красных лучей света (l = 760 нм) больше, чем синих (l » 400 нм). Поскольку показатель преломления среды n равен отношению скорости света в вакууме c к скорости света υ в данной среде (n = с/υ), то это означает, что показатель преломления стекла для красных лучей меньше, чем для синих. Следовательно, преломляясь через призму, синие лучи отклонятся призмой на больший угол, чем красные лучи. Явление зависимости показателя преломления среды от длины световой волны получило название дисперсиисвета.

С помощью трехгранной призмы можно проанализировать свет, излучаемый любым искусственным источником. Совокупность длин волн, из которых состоит луч света, испускаемый источником, называется спектром испускания. Если в спектре испускания присутствуют все длины волн видимого света, то такой спектр называется сплошным (рис. 1). Например, солнечный свет, свет от лампы накаливания дают сплошной спектр. Но если на пути луча естественного света перед призмой поместить какое – либо прозрачное вещество, то в сплошном спектре появляются темные линии. Это свидетельствует о том, что вещество, через которое проходит свет, поглощает некоторые длины волн. Спектр, в котором на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии или темные полосы из-за поглощения средой некоторых длин волн, называетсяспектром поглощения.

Рассмотрим физическую природу спектров поглощения. Однако для её понимания необходимо рассмотреть механизм образованияспектров испускания нагретыми телами. Поскольку раскалённые одноатомные газы и пары излучают линейчатые спектры, рассмотрим процесс испускания света на примере самого простого атома - атома водорода, в электронной оболочке которого находится всего один электрон.

Согласно представлениям квантовой механики энергия этого электрона может изменяться только дискретно и определяется значением главного квантового числа n, которое одновременно определяет и размер электронного облака (орбитали). При n = 1, электрон находится в основном состоянии, то есть находится на наименьшей по размеру орбитали и, следовательно, имеет самое низкое значение энергии -Е₁ (Необходимо отметить, что энергия электрона имеет здесь отрицательное значение, так как за нулевое значение принимают энергию ионизации атома водорода, т.е. энергию, необходимую для отрыва электрона от атома). В основномсостоянии электрон может находиться сколько угодно долго.

Если к атому водорода подвести энергию, например, нагреть, то электрон переходит в возбужденное состояние, то есть переходит на более высокие орбитали, где его энергия больше. Согласно квантовым представлениям электрон в возбуждённом состоянии может принимать только ряд дискретных значений энергии:

-E_n = -E₁/n²,

где n = 1, 2, 3 …- главное квантовое число. Через время порядка 10^-8с электрон переходит на более низкие орбитали, то есть в состояние с меньшей энергией, излучая в процессе каждого такого перехода фотон с энергией

Е_Ф = hc/λ = Е_k - Е_n = Е₁(1/n² -1/k²),

где k - главное квантовое число орбитали, с которой уходит, а n- главное квантовое число орбитали, на которую переходит возбуждённый электрон. В спектре испускания при каждом таком переходе будет видна одна цветная линия с длиной волны λ. Если энергия, подведённая к водороду достаточно велика, то будут возбуждены энергетические уровни с большими значениями главного квантового числа n, при этом увеличивается число возможных переходов электрона и, следовательно, в спектре испускания будет наблюдаться больше линий.

На рис. 1 горизонтальными линиями представлены энергетические уровни основного и возбуждённых состояний атома водорода. Стрелками указаны возможные переходы возбуждённого электрона, при которых происходит излучение фотонов. Из рис. 1 следует, что в спектре излучения атома водорода наблюдается несколько серий линий. При переходе электронов из возбуждённых состояний в состояние с n = 1, излучается серия линий в ультрафиолетовой области (серия Лаймана); при переходе электронов в состояние с n = 2 - серия линий в видимой области (серия Бальмера); при переходе электронов в состояние с n = 3 - серия линий в инфракрасной области (серия Пашена).

		б)
		а)

На рис. 2а приведён спектр испускания атомарного водорода в видимой области (серия Бальмера).

Если атомы вещества находятся на значительном расстоянии друг от друга и взаимодействуют слабо, например, атомы газов, атомы паров металлов, то число дискретных энергетических уровней таких атомов сравнительно невелико и их спектры являются линейчатыми, как, например, в атомарном водороде. В молекулах атомы находятся близко друг к другу, сильно взаимодействуют, из-за чего количество дискретных энергетических уровней электронов значительно увеличивается. В результате увеличивается число возможных переходов возбуждённых электронов, и в спектрах испускания молекул наблюдается большое количество линий (полосатые спектры). В твердых телах атомы расположены ещё ближе, их взаимодействие становится настолько сильным, что каждый энергетический уровень отдельного атома расщепляется на столько подуровней, сколько атомов находится в твердом теле. В результате раскалённые твердые тела излучают сплошной спектр, хотя механизм его излучения такой же, как и у атома водорода.

Спектры поглощения, так же как и спектры испускания, характерны для каждого вещества. На рис. 3 приведена схема опыта по наблюдению спектра поглощения. На пути луча белого света, падающего на призму и дающего сплошной спектр, ставят поглощающее вещество и на экране наблюдают спектр поглощения.

Кирхгофом было установлено, что атомы каждого химического элемента поглощают свет с теми же длинами волн, которые они испускают в нагретом состоянии. Например, в видимом спектре испускания атомарного водорода наблюдается четыре ярких линии (рис. 2а). Спектр поглощения этого элемента представляет собой сплошной спектр с четырьмя тёмными линиями (рис. 2б), которые расположены в тех местах, где располагались цветные линии в спектре испускания (сравни рис. 2а и 2б). Спектры поглощения, как и спектры испускания можно объяснить на основе квантовой теории света.

Если на вещество, расположенное перед трехгранной призмой, падает белый свет, спектр которого сплошной, то часть энергии электромагнитных волн поглощается и идёт на нагревание вещества. Другая часть энергии электромагнитных волн тратится на переизлучение света, механизм которого состоит в следующем.

Пусть атомы исследуемого вещества находятся в основном, не возбужденном состоянии Е₁. Поскольку свет, падающий на вещество от лампы накаливания, сплошной, то найдется фотон с энергией Е_ф = hn = Е_k – Е₁, который вещество поглотит, а электрон атома этого вещества перейдет в возбужденное состояние с энергией Е_k. Поскольку рассматриваемый нами фотон с длиной волны λ веществом поглощается, то до экрана он не доходит, и в этом месте сплошного спектра будет наблюдаться чёрная полоса. Через время порядка 10^-8 сек возбуждённый электрон атома вещества снова переходит в основное состояние с излучением фотона такой же энергии Е_ф = hn = Е_k– Е₁. Переизлучённые фотоны света летят из вещества в произвольном направлении (на рис. 3 указаны маленькими стрелками), так что в направлении призмы летит их незначительное количество. Кроме того, часть энергии переизлучённых фотонов идёт на нагревание вещества. Те фотоныпадающего света, которые атомы данного вещества не переизлучают, проходят через призму спектрометра и дают на экране картину сплошного спектра. В результате в спектрах поглощения вещества на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии в тех местах, где наблюдались линии спектра испускания этого вещества.

Спектры поглощения атомарных газов и паров имеют линейчатые спектры поглощения, молекулярных газов - полосатые спектры с большим количеством тёмных линий. Спектры поглощения твердых и жидких веществ или растворов имеют вид тёмных широких полос. Например, из всей совокупности цветов составляющих белый свет, раствор хлорного железа пропускает только красные, желтые и часть зеленых лучей, поглощая остальные, красное стекло пропускает только красные лучи и т.д.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА.

Для исследования спектров поглощения используется спектрограф ИСП – 51. Общая схема прибора показана на рис.2

Рис. 4

Свет от лампы накаливания 1, пройдя коллиматор 2 прибора, параллельным пучком падает на систему призм, размещенных в корпусе спектрометра 3. Спектрометр разлагает пучок белого света в спектр и поворачивает осевой луч на 90⁰. Разложенный пучок света с помощью объектива фокусируется на матовое стекло 5 для визуального наблюдения спектра. Поворот призм осуществляется ручкой 6 микрометрического винта, на котором размещены две шкалы. Правая шкала имеет 27 делений, каждое из которых соответствует полному обороту микрометрического винта, левая – 100 делений, каждое из которых соответствует 0,01 оборота винта. Отсчет угла поворота призм производится по этим шкалам относительно риски, нанесенной на кольце между шкалами.

ВНИМАНИЕ. Вращение микрометрического винта производить плавно, не прилагая чрезмерных усилий.

На пути луча белого света от лампы накаливания 1 установлен магазин 4 со сменными светофильтрами. Передвигая пластину магазина светофильтров можно на пути следования луча белого света установить исследуемый светофильтр или оставить окно открытым.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Работа состоит из двух упражнений. В первом упражнении производится градуировка спектроскопа, во втором – изучение спектров поглощения исследуемых веществ с использованием градуировочной кривой, полученной в первом упражнении.

УПРАЖНЕНИЕ 1

ГРАДУИРОВКА СПЕКТРОСКОПА

Произвести градуировку спектроскопа - означает установить, какой длине световой волны соответствуют деления отсчётного устройства спектроскопа. В настоящей работе градуировка спектроскопа производится по сплошному спектру, излучаемому лампой накаливания. Для градуировки спектроскопа следует выполнить следующие операции:

1. Включить лампу накаливания. Установить перед коллиматором окно магазина без светофильтра. Настроить спектроскоп таким образом, чтобы был хорошо виден сплошной спектр от лампы накаливания.

2. Определить приблизительные границы цветов в спектре. Точно эти границы определить невозможно, т.к. переход от одного цвета к другому происходит постепенно. Для определения местоположения границ цветов в сплошном спектре поворотом ручки 6 микрометрического устройства (рис. 4) переместить спектр таким образом, чтобы черная нить визира в поле зрения окуляра была установлена на левой границе красной части спектра. Сделать отсчет по шкалам отсчетного устройства. Затем с помощью ручки 6 переместить спектр так, чтобы нить визира была установлена на границе между красным и оранжевым цветами, произвести отсчет. Точно также определить границы между оранжевым и желтым, желтым и зеленым и т.д. цветами. Результаты измерений занести в таблицу 1, в которой приведены длины волн границ различных цветов.

Таблица 1

№№ опыта	Границы цветов	λ, нм	α, дел.
	Левая граница красного цвета
	Граница красного и оранжевого
	Граница оранжевого и желтого
	Граница желтого и зеленого
	Граница зеленого и голубого
	Граница голубого и синего
	Граница синего и фиолетового
	Правая граница фиолетового

3. По результатам измерений построить градуировочный график. С этой целью выбрать интервал изменения и масштабную сетку длин волн λ по оси ординат, интервал изменения и масштабную сетку показаний отсчетного устройства α по оси абсцисс. Например, интервал длины волны λ по оси ординат можно выбрать в пределах от 400 до 800 нм при цене наименьшего деления масштабной сетки 10, 20 или 50 нм. На графике строят оси координат, на которых наносят пределы изменения и масштабную сетку для измеряемых величин. Далее в соответствии с данными таблицы 1 на графике ставят экспериментальные точки. Нанесенные на график точки соединяют плавной линией, которая будет называться градуировочной кривойспектроскопа.

По возможности, построить график с помощью компьютера в программе Microsoft Excel (Таблицы Excel). Подобрать аппроксимирующую функцию градуировочной кривой, необходимую для выполнения упражнения 2.

УПРАЖНЕНИЕ 2

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТОФИЛЬТРОВ

В работе в качестве поглощающего вещества используются стеклянные светофильтры. Известно, что обычное стекло пропускает весь сплошной спектр в видимой области спектра. Чтобы стекло стало цветным, в него добавляют примеси атомов различных элементов, которые избирательно поглощают свет с определёнными длинами волн. В стекле атомы расположены близко, сильно взаимодействуют друг с другом, в результате чего спектры поглощения стеклянных светофильтров образуют широкие тёмные полосы в различных областях сплошного спектра. В работе необходимо определить границы спектра поглощения светофильтров как со стороны длинных (λ₁), так и со стороны коротких (λ₂) длин волн. Схематически границы λ₁ и λ₂ спектра поглощения светофильтра изображены на рис. 3.

1. Установить перед окном спектроскопа красный светофильтр. Светофильтр поглощает часть полосы сплошного спектра. С помощью отсчетного устройства измерить границы полосы спектра поглощения. Для этого нить визирного устройства в поле зрения спектроскопа установить на границу λ₁ левого края спектра поглощения (тёмной полосы) и произвести отсчет (α₁), затем – на границу λ₂ правого края спектра поглощения светофильтра, если её удаётся наблюдать, и сделать отсчёт (α₂). Таким же образом измерить границы λ₁ и λ₂ спектра поглощения других светофильтров и сделать соответствующие отсчёты. Результаты измерения записать в таблицу 2. Измерения проводить на светофильтрах, указанных преподавателем.

Таблица 2

Цвет светофильтра	Отсчёт	λ1, нм	λ2, нм
α1, дел.	α2, дел.
Красный
Зелёный
Синий

2. По градуировочной кривой, полученной в первом упражнении, определить длины волн λ₁ и λ₂ границы спектра поглощения светофильтров. Для этого отсчет α₁, соответствующий, например, длинноволновой границе полосы поглощения спектра, отложить по оси абсцисс градуировочного графика. Из полученной точки восстановить перпендикуляр до пересечения с градуировочной кривой. Величина этого перпендикуляра, измеренная в единицах масштаба оси ординат графика, и будет равна длине волны λ₁, соответствующей длинноволновой границе поглощения спектра светофильтра. Точно также по отсчету α₂ определить длину волны λ₂, соответствующую коротковолновой границе спектра поглощения. Аналогичным образом определить границы спектров поглощения других светофильтров.

3. Сделать оценку погрешности измерений и записать ответ по форме.

Ответ: границы спектра поглощения коричневого светофильтра составляют:

λ₁ = (620 ± 10) нм, λ₂ = (550 ± 20) нм.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как получить и как объяснить линейчатые спектры испускания?

2. Как получить и как объяснить спектры поглощения?

3. Чем отличаются спектры испускания и спектры поглощения паров, молекулярных газов, твёрдых тел.

4. Как объяснить сплошной спектр испускания нагретых тел?

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова Т.И. Оптика и атомная физика, 2003

Приложение 1

Образец отчёта

ФГОУ ВПО

ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ОТЧЕТ

По лабораторной работе № 12