Лабораторная работа по дисциплине «Физика» для СПбГАСУ

Исследование спектров поглощения и пропускания

       

Методические указания

  к лабораторной работе №73 Цель работы: исследование спектров поглощения и пропускания,  построение спектральных характеристик, определение типов светофильтров и их основных параметров. Теоретическое введение Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волны при прохождении ее через вещество вследствие возбуждения колебаний электронов среды. Эта энергия частично переходит во внутреннюю  или в энергию вторичного излучения. Поглощение света в веществе подчиняется закону Бугера: (73.1) где    – интенсивность плоской монохроматической волны падающего и прошедшего через слой вещества излучения соответственно, a – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны l (или частоты) света, химической природы и состояния вещества и независящий от интенсивности света, d – толщина поглощающего слоя. Коэффициент поглощения a различается для разных веществ. Для одноатомных газов и паров металлов, где атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, a–>0 и только в узких спектральных областях (10^–12 – 10^–11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти области резкой абсорбции атомов соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов. Колебания атомов в молекулах расширяют спектр поглощения, образуя полосы поглощения (около 10^–10 – 10^–7 м). Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (порядка 10^–3 – 10^–7 м^–1) из-за отсутствия свободных электронов, однако в условиях резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах возникает сплошной спектр поглощения. Для металлов значение a велико (10³ – 10⁵ см^–1), так как из-за существования свободных электронов световая энергия быстро переходит во внутреннюю. Коэффициент поглощения a зависит от длины волны, поэтому поглощающие вещества окрашены. Например, стекло, слабо поглощающее красные лучи и сильно поглощающее синие и зеленые лучи, при освещении белым светом будет казаться красным, а при освещении синим и зеленым светом – черным из-за сильного поглощения. Это явление используется в светофильтрах, которые в зависимости от химического состава пропускают свет только определенных длин волн. Таким образом, чем больше a для данной длины волны, тем отчетливее обнаружится ослабление соответствующих участков спектра поглощения.

1. Характеристики фильтров оптического излучения

По принципу действия фильтры могут быть разделены на поглощающие (абсорбционные) светофильтры, при этом световая энергия в основном переходит во внутреннюю; и фильтры, в которых происходит перераспределение излучения за счет дисперсии, отражения, рассеивания, дифракции, интерференции. По виду спектральной характеристики фильтры делятся на полосовые (пропускающие излучение в узкой полосе длин волн (рис.73.1а) и отрезающие (пропускающие волны длиннее данной граничной волны l₀ (рис.73.1б)).  

а)	б)

Рис.73.1. Параметрами полосового фильтра являются прозрачность в максимуме , рабочая длина волны l₀, ширина полосы dl на половине максимальной прозрачности, прозрачность за пределами полосы (фон)  и контрастность, определяемая соотношением . Параметр    называется добротностью фильтра (разрешающей способностью спектрального прибора), в простейших случаях это величина порядка 10–100. Параметрами отрезающего фильтра является граничная длина волны l₀ и крутизна спектральной характеристики . Коэффициент пропускания среды толщиной d см при учете только потерь на поглощение (73.2) для стекла a » 0,01 см^–1, толщина используемого фильтра 2 мм, поэтому  тогда разложение экспоненты в ряд дает расчетную формулу для нахождения коэффициента пропускания фильтра: Коэффициенты поглощения для разных категорий оптического стекла

Категория	000	00	0	1	2	3	4
Коэффициент поглощения	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,5	3,0

 

2. Приборы и оборудование

Лабораторная установка состоит из следующих узлов:

• монохроматор МУМ–01;
• узел светодиодного излучателя;
• кюветное отделение;
• фотоприемный узел;
• блок обработки сигнала;
• мультиметр.

В узле излучателя установлен специальный светодиод белого света, излучающий в диапазоне 400 … 700 нм. Узел излучателя закреплен непосредственно перед входной щелью монохроматора на его корпусе. За входной щелью установлен объектив, формирующий параллельный пучок, проходящий кюветное отделение и попадающий на фотодиод фотоприемного узла. Электрический сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего излучения регистрируется с помощью мультиметра. В качестве объектов для исследования прилагаются светофильтры из цветного оптического стекла. Оптическая схема монохроматора приведена на рис.73.2.

Принцип действия данного монохроматора основан на использовании в качестве фокусирующего диспергирующего элемента дифракционной решетки. Излучение от светодиода 1 через конденсор 2 попадает на входную щель 3 и посредством зеркала 4 попадает на дифрак-

ционную решетку 5.Дифракционная решетка имеет переменный шаг нарезки и криволинейные штрихи, что дает возможность значительно скомпенсировать расфокусировку и другие аберрации. Зеркало 6 позволяет направлять дифрагированное решеткой излучение на выходную щель 7 или 8. Щели на выходе и входе монохроматора сменные, постоянной ширины. В настоящей работе на входе и выходе монохроматора могут быть установлены щели шириной 0,5 или 1,0 мм. Сканирование спектра осуществляется поворотом решетки 5 вокруг оси 0 на угол j в пределах от j₀ = 6^о54’ до j_К = 28о44’. Это осуществляется с помощью системы зубчатых передач, которая связана с ручкой на передней стенке прибора и механическим счетчиком, непосредственно отсчитывающим длины волн в диапазоне 200 – 800 нм с точностью ± 0,2 нм. Исследуемый образец помещают в тубус с закрывающейся крышкой.

3. Порядок выполнения работы

Порядок проведения измерений.

1. Включите источник питания и вольтметр. Установите на мультиметре предел измерений 20 В.
2. Установите щели 0,5 мм перед источником и приемником излучения.
3. Подождите не менее 5 минут для стабилизации теплового режима приемника излучения.
4. Произведите калибровку оптической системы. Для этого следует при пустом тубусе кюветного отделения снять зависимость показаний мультиметра () от длины волны l в диапазоне длин волн от 370 нм до 830 нм с шагом 10 гм. При необходимости переключайте пределы измерения мультиметра (20 В, 2 В, 200 мВ).
5. Поместите в тубус кюветного отделения поочередно красный, желтый, зеленый светофильтры и снимите соответствующие зависимости показания мультиметра () от l для каждого светофильтра в том же диапазоне длин волн (длину волны рекомендуется устанавливать с тем же шагом, что и в п.4.
6. Выключите источник питания и мультиметр.
7. Постройте графики зависимости коэффициента пропускания излучения от длины волны :
8. По виду спектральной характеристики определите типы фильтров:

– для полосовых фильтров определить основные параметры: , , dl, ; – для отрезающих фильтров определить , К.

9. Сделайте соответствующие физические выводы, охарактеризуйте цвет фильтра по полученной для него спектральной характеристике.

В качестве дополнительного задания предлагается самостоятельно вывести расчетную формулу из (73.2), рассчитать и построить график зависимости коэффициента поглощения от длины волны. Для упрощения расчетов потери на отражение на входной и выходной гранях светофильтра предлагается принять равными ~3% и не зависящими от длины волны. Толщину светофильтра принять равной 2 мм.  

Литература

1. Ландсберг Г.С. Оптика: Учебное пособие для вузов. 5-е изд, перераб. и доп. – М.: Наука, 1976. – 9292 с.
2. Трофимова Т.ЯИ. Курс физики: Учебное пособие для вузов. 6-е изд., стереотипн. – М.: Высш. шк., 1999. – 544 с.
3. Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учебное пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1995. – 463 с.

4.Лебедева В.В. Экспериментальная оптика: Оптические материалы. Источники, приемники, фильтрация оптического излучения: Учебник для вузов. – М.: Изд. Моск. ун-та, 1994. – 364 с.