Лабораторная работа №2″СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГАЗОВ

Лабораторная работа
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГАЗОВ
О б о р у д о в а н и е: высоковольтный генератор «Спектр-1», дифракционная
решетка с периодом 1 мкм или 2 мкм, миллиметровая линейка (2 шт.), штатив с муфтой и
лапкой, источник постоянного напряжения до 12 В, набор спектральных трубок с инертными газами (водородом или гелием).
Содержание и метод выполнения работы
Вариант 1
В лабораторной установке для спектрального анализа некоторых инертных газов, содержащихся в спектральных трубках,
используется высоковольтный
школьный генератор типа «Спектр-1» с укрепленной на
нем миллиметровой линейкой, например, с помощью
липкой ленты (рис. 1). Целесообразно использовать
пластмассовую линейку белого цвета, на фоне которого
хорошо видны наиболее интенсивные линии в спектре
излучения газа. Необходим также школьный штатив с
лапкой для закрепления дифракционной решетки.
Дифракционная решетка размещается на такой же
высоте, что и светящийся столбик газа в спектральной
трубке. На столбик светящегося газа смотрят через дифракционную решетку (рис. 2) и отмечают удаление b от
него наиболее интенсивных линий по шкале миллиметровой линейки. Зная также расстояние a от дифракционной решетки до линейки и, учитывая период решетки, можно найти длины волн спектральных линий по известной формуле:
d sin  = k  ,
k = 0, + 1, + 2, + 3, ... ,
где d - период дифракционной решетки,  - угол дифракции, k - порядок спектра,  - длина
волны света.
Из схемы опыта, представленной на рисунке 2, получим следующее значение синуса
b
угла дифракции: sin  
a2  b2

1
a2
1 2
b
, следовательно  
d
a2
k 1 2
b
Подготовка и порядок выполнения работы
1. Подготовьте листы
для отчета о проделанной
Нулевой
работе с предварительными
b
максимум
записями.
Дифракционная
2. Соберите эксперирешётка
Спектр
ментальную
установку,
излучения
включите ее.
газа
3. Глядя сквозь дифракционную решетку выберите для исследования одну из спектральных линий излучения газа в спектре либо первого,
Луч
зрения
а
Лабораторная работа «Спектральный анализ газов»
2
либо второго порядка. Запишите в отчет отдельной строкой цвет выбранной спектральной
линии.
4. Изменяя расстояние от дифракционной решетки до прибора «Спектр-1», произведите
измерения расстояний: а) от спектральной линии до нулевого максимума; б) от дифракционной решетки до линейки–экрана. Данные десяти измерений занесите в таблицу:
Таблица результатов измерений и вычислений
№
опыта
Расстояние от спектральной линии до
нулевого максимума
b
мм
Расстояние от дифракционной решетки
до экрана
a
мм
Длина волны света
спектральной линии

нм
Абсолютная погрешность длины волны
света

нм
1
2
3
…
10
Среднее
5. Вычислите длину волны света выбранной спектральной линии, подсчитайте погрешности измерений и вычислений.
6. Оформите отчет о проделанной работе. Для формулирования выводов можно воспользоваться данными таблиц 1 (длина волн света видимого диапазона) и 2 (наиболее интенсивные линии в спектрах некоторых элементов).
Таблица 1.
Длины волн оптического диапазона
Род излучения
Ультрафиолетовое
лучение
Фиолетовые
Синие волны
Голубые
Зеленые
Длины волн (в нм)
из-
10 – 380
380 - 450
450 – 480
480 – 500
500 - 560
Род излучения
Желтые волны
Оранжевые
Красные
Инфракрасное
излучение
Длины волн (в нм)
560 – 590
590 – 620
620 – 760
760 – 1 мм
Таблица 2 . Наиболее интенсивные линии в спектрах некоторых элементов
Цвет спектральной
Длины волн некоторых химических элементов ( в нм)
линии
водород
гелий
натрий
калий
криптон
неон
аргон
Красный
656
728
770
724
696
706
766
693
668
694
672
691
668
660
640
638
Оранжевый
588
616
587
598
590
588
589
585
Желтый
580
Зеленый
502
569
536
557
540
515
536
533
Голубой
486
492
498
485
471
467
Синий
447
439
Фиолетовый
434
403
430
410
396
429
397
404
Лабораторная работа «Спектральный анализ газов»
3
Вариант 2
На месте высоковольтного генератора “Спектр - 1” разместите экран со щелью с расположенной за ним зажженной спиртовкой (к щели вновь должна быть прикреплена линейка). Если теперь насыпать на фитиль спиртовки немного хлорида натрия (поваренной соли),
хлорида бария или хлорида калия, то пламя спиртовки окрасится (можно поочередно вносить
в пламя спиртовки комочки ваты, смоченные водными растворами данных солей). Рассматривая это пламя через дифракционную решетку и щель, можно оценить описанным выше
способом длины волн наиболее интенсивных линий в спектре излучения натрия или калия. В
этом опыте предпочтительней оказывается дифракционная решетка с периодом 2 мкм, так
как она позволяет четче увидеть наиболее яркие линии в спектрах излучения газов.
Вариант 3
Посмотрите через дифракционную решетку на светящуюся люминесцентную лампу
(лампу дневного света), установленную на столе, и рассмотрите спектр, даваемый люминофором, а на его фоне линейчатый спектр паров ртути (желтую, зеленую и фиолетовую линии).
Интересны экспериментальные исследования спектров излучения ламп накаливания,
которые используются для физиотерапии с профилактическими или лечебными целями как
искусственные источники теплового излучения. В медицинской технике их называют соллюкс и инфраруж. Такие лампы укрепляются в специальном рефлекторе и похожи на бытовые электрические нагреватели. Методика исследования спектров излучения ламп аналогична описанной в варианте 1. (Аналогичным методом можно исследовать спектры излучения светодиодов.)
Вариант 4
Соберите установку для наблюдения спектра излучения электрической лампы накаливания. Между дифракционной решеткой и нормально горящей лампой расположите спиртовку, а над ней - колбу с несколькими кристаллами йода, закрытую пробкой. Зажгите спиртовку и наблюдайте через колбу за изменением сплошного спектра излучения нити лампы.
Как только колба заполнится парами йода, заметьте появление трех полос поглощения в зелено-синей части сплошного спектра.
Контрольные вопросы
1. В какой части спектра сосредоточены наиболее яркие линии излучения ламп накаливания в установках соллюкс и инфраруж? С какой конкретной целью их применяют в медицине?
2. Как должна выглядеть экспериментальная установка, если целью лабораторного исследования является наблюдение спектров поглощения жидкостей или прозрачных твердых
тел с помощью дифракционной решетки?
3. Почему яркость линий в спектрах излучения веществ ослабевает, если линии наблюдать через дифракционную решетку с большей разрешающей способностью?
4. При наблюдении через какие дифракционные решетки спектральные дублеты - группы (пары) близко расположенных спектральных линий - наблюдаются чаще всего?
5. Можно ли с помощью дифракционной решетки исследовать спектр излучения Солнца?
6. Почему отверстие коллиматора спектроскопа имеет форму узкой щели? Изменится
ли вид наблюдаемого спектра, если отверстие сделать в форме треугольника?