aparate spectrale cu retea

8/6/2019 Aparate Spectrale Cu Retea

1/7

1

APARATE SPECTRALE CU REEA DE DIFRACIE

1. Reeaua de difracieReeaua de difracie este o suprafa optic plan sau curb, cu multe trsturi liniare, paralele

i echidistante. Trsturile nu sunt anuri sau crestturi ci caneluri cu un profil riguros stabilit care seobin cu ajutorul unei maini speciale de canelat. Dificultile legate de meninerea aceluiai profilpentru toate trsturile, de pstrare a paralelismului i de realizare a aceleiai distane ntre canelurileparalele fac ca n lume s existe puine ateliere optice specializate n construcia reelelor de difracie. Ometod mai simpla i mai economic de producere a reelelor de difracie este duplicarea (prin diverseprocedee fotochimice) dup o reea de foarte bun calitate.

Principiul de funcionare a reelelor de difracie folosite ca element dispersiv n cele mai multespectroscoape, spectrografe sau monocromatoare are la baz interferen a fasciculelor luminoasedifractate de trsturile reelei, care joac rol de fante. Pentru ca reeaua s funcioneze corect estenecesar ca lungimea de und a radiaiei incidente s fie mai mic dect distana dinte dou elementeconsecutive. Descompunnd lumina dup lungimea de und se formeaz un spectru care poate fi

observat, fotografiat sau analizat fotoelectric.O reea de difracie este caracterizat de constanta d = a+b dintre centrele a dou caneluriconsecutive, unde a este lrgimea unei caneluri iar b este distana dintre dou caneluri, aa cum se

poate observa n figura 1. Se mai poate caracteriza reeaua i prind

n1

= numrul de trsturi pe

unitatea de lungime. De reguln se msoar n trsturi/mm.

Distribuia de intensitate obinut la inciden normal cu o reea de constant d i un numrtotal de fante N este:

Fig.1 Mersul razelor prin reea Fig.2 Distribuia de intensitate


2/7


3/7

3

Fig.4

d) Pot fi folosite n orice domeniu spectral dac se lucreaz prin reflexie pe suprafee metalice(vezi figura 3). Majoritatea reelelor prin reflexie se bazeaz pe reflexia pe o suprafa dealuminiu i au dou avantaje: lipsa absorbiei i a efectelor dispersive datorit trecerii luminiiprin sticl.

e) O problem specific aparatelor cu reea este suprapunerea spectrelor. De exemplu, n funciede caracteristicile constructive, radiaia roie din spectrul k se poate suprapune peste radiaiaviolet

din spectrul de ordinul k+1.

2. Mrimi caracteristice ale reelei i ale aparatelor spectrale cu reea2.1Dispersia unghiular

Dispersia unghiular a unei reele arat variaia unghiului de emergen cu lungimea de undi este definit de relaia:

d

dDu = (3)

Derivnd ecuaia (2), se obine

coscos

kn

d

k

d

dDu === (3)

unde am folosit d = 1/n.Din aceast relaie rezult c att mrirea densitii trsturilor ct i mrirea ordinului spectruluidetermin o cretere a dispersiei unghiulare. Pentru valori mici ale unghiului de difrac ie cuprinsentre 0 i 8 funcia cos = 1 i dispersia unghiular este constant. Un spectru obinut n astfelde condiii se numete spectru normal. Spectrele normale sunt caracteristice reelelor, spre deosebirede prism unde dispersia este neliniar.

2.2Puterea de rezoluie cromaticPuterea de rezoluie cromatic arat ct de

bine sunt separate dou radiaii cu lungimile de undi +d. Se definete (ca la prism) ca fiind

dR = . (4)

Conform principiului lui Rayleigh cele douradiaii cu i +d mai pot fi separate dacmaximul de ordinul kal radiaiei +dse suprapunepeste primul minim de lng maximul kal radiaiei, ca n figura 4. Cu ajutorul ec.(1) se poate demonstrac puterea de rezoluie la reea are o formul simpl

kNd

R ==

(4)


4/7

4

k k(+d)

Fig.5

Fig.6

Puterea de rezoluie cromatic cr e te odat cu ordinul spectruluii cu numrul, total detrsturi N.

2.3Dispersia liniarDispersia liniar

se define

te ca

i la prism

ca fiind

cos

fknfD

d

dxD ul ===

(5)

unde feste distana focal a obiectivului de proiecie. Pentru unghiuri mici, dispersia unghiular fiindconstant, implic o dispersie liniar constant, ceea ce uureaz determinarea precis a lungimilor deund. Acest fapt este un motiv suplimentar pentru care se prefer aparatele spectrale cu reea.

2.4Domeniul spectral liberDin cauza suprapunerii spectrelor de diferite ordine este important de tiut care este poriunea

liber, fr suprapuneri. Aceasta se calculeaz foarte simplu punnd condiia ( ) ( ) 1+=+ kdk , deunde rezult domeniul spectral liber:

k

= . (6)

De exemplu, pentru ordinul 100 domeniul observat reprezint numai 1%din lungimea de und observat (la 5000A, =50A). Cu ct ordinuleste mai mic cu att domeniul spectral liber este mai mic. Aceastobservaie este important de inut minte la folosirea n analiza spectral a dispozitivelor interferenialede mare putere de rezoluie, de tip Fabry-Perot.

3. Studiul experimental al mrimilor caracteristice ale unui aparat cu reea3.1Dispozitivul experimental

Dispozitivul experimental cu care se lucreaz este un spectroscop, adic un aparat spectral cuvizualizare direct a spectrului. Montajul este format din:

- Colimator (Ol) cu fanta de intrare (S). Fanta deintrare este reglabil ca deschidere (pentru a mrisau micora luminozitatea spectrului) i capoziiefata de colimator.- Reea de difracie (G)- Obiectiv de proiecie (O2), adic o lunet deobservaie, dotat cu un ocular care are dou firereticulare n cruce pentru a putea fixa cu precizie olinie spectral.

Cele trei componente sunt montate pe o


5/7

5

msu cu goniometru care permite msurarea cu precizie a unghiurilor. Deoarece luminozitateaspectrului e mic, se folosete o surs suplimentar pentru iluminarea firelor reticulare. Pentru reglareasursei de iluminare:- se conecteaz sursa de iluminare (a3) la tensiunea U= 6 V- se strnge urubul de blocare (a2) pentru a fixa sursa de iluminare la lunet, astfel nct interiorulfantei s fie bine i complet iluminat, fr s se modifice poziia ocularului.

Ca sursa de radiaie pentru etalonare se folosete o lamp cu descrcare n vapori de heliu, careemite o lumin rou-portocaliu, format din multe radiaii monocromatice de culori diferite (de la roupn la violet). ATENTIE: NU privii direct radiaia emis de lamp! Aceastaconine mult radiaie din domeniul ultraviolet, care poate fi periculoas pentru ochi. La trecerea princomponentele optice ale montajului, care sunt fcute din sticl, radiaia UV este atenuat foarte mult,astfel nct privirea spectrului dat de dispozitiv nu prezint nici un pericol.

3.2Modul de lucru

Fig 7. Luneta cu sursa de iluminareal urub de reglare a focalizariia2urub de fixare a sursei de iluminarea3 Sursa de iluminarea4Oculara5 Deschidere perdru sursa de iluminarea6urub de reglare a poziiei lunetei

Fig. 8. Suportul spectrometrului

clMsua prismeic2uruburi de reglare a orizontalitii meseiprismeiflurub de blocare a mesei prismeif2urub de blocare a cercului gradatf3urub de reglare fin a rotaiei luneteif4urub de fixare a lunetei (nu se vede in figur)f5 Vernieref6 Lupefi Cerc gradat


6/7

6

1. Se plaseaz lampa spectral de He in cutia de protecie (nu atingei sticla tubului), se monteaz cutiape stativ. Aceast operaie va fi efectuat de cadrul didactic! Se conecteaz sursa de tensiune i sepornete.2. Se ilumineaz fanta cu radiaia emis de lampa de He, avnd grij ca lampa s fie aliniat cu axacolimatorului3. Se pune la punct sistemul optic. Se regleaz orizontalitatea colimatorului i lunetei. Se pune luneta nprelungirea colimatorului

i se regleaz

att pozi

ia fantei fa

de colimator ct

i punerea la punct a

lunetei pn se obine o imagine fini clar a fantei.4. Se monteaz reeaua pe suportul msuei goniometrice perpendicular pe direcia fasciculului delumina incident, deoarece vom lucra numai la inciden normal. ATENTIE! Nu atingeisuprafaa reelei. Apucai reeaua numai de rama ei. Daca observai un fir de praf pesuprafaa reelei nu suflai pentru ndeprtarea lui. 0 reea murdar nu se mai poate cura fr s fieafectat suprafaa activ, care are mii de trsturi extrem de fine.5. Se observa spectrul dat de spectroscop. Spectrul este format din mai multe linii fine de culori diferitede la violet la rou. Se vor face observaii care sa permit compararea imaginii spectrale data de reea cuimaginea spectrala dat de prism: ordinea culorilor, simetria spectrelor, numrul de spectre,suprapunerea spectrelor de ordin superior.

6. Se verific poziionarea reelei la inciden normal. Se citete pe goniometru poziia maximuluicentral nedescompus i apoi poziiile verdelui intens din spectrele de ordinul nti din stnga i dindreapta. Dac diferenele dintre centralverde .max din dreapta i stnga sunt egale (diferenele sunt mai

mici de 10 minute), se consider c reeaua este poziionat la inciden normal.7. Se msoar poziia unghiular a fiecrei linii spectrale din spectrul de ordinul 1, i apoi din spectrul deordinul 2 dintr-o singur parte i se noteaz n tabel. Se face diferena dintre aceste unghiuri i unghiulcorespunztor maximului central.8. Cu ajutorul formulei fundamentale a reelei (ec.(2)) se calculeaz lungimile de und ale He. Ecuaia (2)

se poate scrie ca nk=sin de unde rezultkn

sin= , unde central.max = . Se utilizeaz n = 600

trs/mm.Se compar cu valorile cunoscute pentru atomul de He.9. Se reprezint grafic n Origin aceste unghiuri n funcie de lungimile de und ale spectrului heliului.

Dac s-a msurat corect, graficul reprezint o dreapt a crei pant este dispersia unghiular

d

dDu = . Se

calculeaz dispersia unghiular n spectrele de ordinul 1 i 2.

10. Se oprete alimentarea lmpii cu He. Se ateapt cteva minute pn se rcete lampa, se scoate dincutia de protecie i se nlocuiete cu lampa de Na. Aceast operaie va fi efectuat de cadruldidactic! Se alimenteazi se atept pn cnd lampa de Na s-a nclzit suficient astfel nct se vedebine tot spectrul.

11. Se msoar poziia pe goniometru a celor dou radiaii galbene ale Na n spectrul de ordinul 2 undesunt mai clar separate. Cu ajutorul valorii dispersiei unghiulare deja msurate cu lampa de He(dispersia unghiular este o mrime caracteristic reelei i nu lmpii), se calculeaz intervalul spectraldintre cele radiaii galbene ale sodiului.12. Se msoar cu mult atenie, deoarece diferena este extrem de mic, poziia pe goniometru a celordou radiaii galbene ale Na n spectrul de ordinul 1. Se calculeaz din nou intervalul spectral.13. Se face media msurtorilor de la punctele 11 i 12.


7/7

7

Lampa cu descrcare n vapori de He

Lungimea de und (A) Intensitatea liniei Culoare

7065,71 70 Rou6678,15 100 Rou

5875,97 1000 Galben5015,68 100 Verde intens4921,93 50 Verde4713,14 40 Albastru deschis4471,48 100 Albastru nchis4387,93 30 Violet pal

aparate spectrale cu retea

Documents