¿Cómo utilizar un espectrógrafo de prisma pequeño para medir la longitud de onda de la línea espectral principal de un láser?

El uso de un espectrógrafo de prisma pequeño. Después de excitar cualquier tipo de átomo, cuando pasa de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo, irradiará fotones de una determinada longitud de onda. es decir, determinada por la distancia entre los niveles de energía. La diferencia de energía determina: donde, es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz. Diferente, diferente. El espectro en el que la luz de diferentes longitudes de onda radiada por el mismo átomo se dispone según un determinado procedimiento después de la dispersión se denomina espectro de emisión. Las estructuras atómicas de diferentes elementos son diferentes, por lo que las ondas de luz irradiadas después de ser excitadas tienen diferentes longitudes de onda, es decir, tienen diferentes espectros de emisión. Midiendo y analizando el espectro de emisión se puede determinar la composición elemental de una sustancia. Este método de análisis se denomina análisis espectral. Mediante el análisis espectral, no sólo podemos analizar cualitativamente la composición de una sustancia, sino también determinar cuantitativamente la cantidad de diversos elementos contenidos en la sustancia que se va a medir. El análisis del espectro de emisión se realiza habitualmente con un espectrógrafo. Un espectrógrafo de prisma pequeño utiliza un prisma como sistema de dispersión para observar o fotografiar el espectro de emisión de una sustancia. Fines experimentales: 1. Comprenda la estructura, el principio y el uso de un espectrógrafo y aprenda el método de calibración de un espectrógrafo pequeño. 2. Observe el espectro de emisión de la sustancia, mida la longitud de onda de la línea espectral del átomo de hidrógeno, verifique la regularidad del espectro atómico y determine la constante de Rydberg del espectro del átomo de hidrógeno. 3． Aprenda métodos de medición comparativos de cantidades físicas. Instrumentos experimentales: pequeño espectrógrafo, lámpara y balastro de mercurio, lámpara de hidrógeno y fuente de alimentación, transformador regulador de voltaje. Principio experimental: 1. Reglas del espectro de los átomos de hidrógeno En 1885, el físico suizo Balmer descubrió que el espectro emitido por los átomos de hidrógeno sigue ciertas reglas en la región de la luz visible, y la longitud de onda de la línea espectral satisface la fórmula de Balmer: (1) En la fórmula, n=3, 4, 5, forman un sistema de líneas espectrales, llamado sistema de líneas de Balmer. La fórmula de Balmer expresada en términos de número de onda () es: n=3, 4, 5 (2) En la fórmula (2), se denomina constante de Rydberg del espectro del átomo de hidrógeno. Después de medir la longitud de onda de cada línea espectral del sistema de líneas de Balmer con un espectrógrafo, la constante de Rydberg se puede calcular a partir de la ecuación (2). Si se compara con el valor aceptado = 1,096776, dentro de un cierto rango de error, se puede verificar la fórmula de Balmer. y las leyes del espectro de los átomos de hidrógeno. 2. Medición de la longitud de onda de la línea espectral: Primero use un conjunto de líneas espectrales con longitudes de onda conocidas como estándares y mida las lecturas de la escala espiral cuando se mueven a la posición de la marca de lectura. Luego, dibuje una curva de calibración con abscisas y ordenadas. Para medir la fuente de luz con la longitud de onda espectral, simplemente registre la lectura en la regla espiral correspondiente a cada línea espectral y compárela con la curva de calibración para determinar la longitud de onda de cada línea espectral. Este experimento utiliza una lámpara de mercurio para calibrar el espectrógrafo. Luego se mide la longitud de onda de cada línea del sistema de líneas de Balmer del espectro del átomo de hidrógeno y luego se calcula de acuerdo con la fórmula (2). Pasos experimentales y contenido: 1. Frente al instrumento (como se muestra a la derecha) o al manual de instrucciones del instrumento, instale el visor y el ocular y familiarícese con la estructura y los métodos de operación de cada parte del espectrógrafo. 2. Coloque la lámpara de mercurio en "S" y mueva el condensador 1 hacia adelante y hacia atrás para que la fuente de luz se vea claramente en la rendija. Observe el espectro de salida en el ocular, gire la rueda de ajuste del ángulo para llevar cualquier espectro al campo de visión, gire suavemente la rueda manual de enfoque del condensador de salida 2 para enfocar claramente la imagen de la línea espectral y luego gire la rueda de ajuste del ángulo para observar; cada parte de la fuente de luz una por una. Después de verificar los colores de las líneas espectrales con los colores de las líneas espectrales enumerados en la tabla adjunta, comience la medición. Registre las lecturas correspondientes a las líneas espectrales de diferentes longitudes de onda de cada fuente de luz por turno. 3． Coloque la lámpara de hidrógeno en "S" (nota: la lámpara de hidrógeno utiliza alto voltaje y el número de indicación de salida del transformador regulador de voltaje no puede exceder el valor especificado) y mida las tres líneas espectrales correspondientes al rojo, azul y morado. líneas en el espectro del átomo de hidrógeno. 4. Procesamiento y análisis de datos: (1) Registre todos los datos en una lista y prepare un formulario elaborado por usted mismo. (2) Utilice una cuadrícula milimétrica para hacer un dibujo y hacer una curva de calibración para el espectrómetro. (3) A partir de la curva de calibración y la medición del espectro de hidrógeno, encuentre las longitudes de onda de las tres líneas espectrales en el sistema de líneas espectrales de Balmer y compárelas con la longitud de onda estándar del espectro de hidrógeno. (4) A partir de las tres longitudes de onda medidas por el espectro del hidrógeno, calcule la constante de Rydberg según la ecuación (2), encuentre su valor promedio y compárelo con el valor reconocido para calcular la incertidumbre de la medición. Notas: 1. La rendija del espectrómetro es un dispositivo mecánico relativamente preciso y no debe ajustarse arbitrariamente durante el experimento.

Al girar la rueda de ajuste del ángulo, asegúrese de hacerlo lentamente. Está prohibido tocar componentes ópticos como lentes con las manos. 2. La fuente de luz de hidrógeno utiliza una fuente de alimentación de alto voltaje, por lo que se debe tener especial cuidado. Antes de encender la luz, primero coloque el transformador regulador de voltaje a bajo voltaje, luego encienda la alimentación y ajuste lentamente el transformador para aumentar el voltaje hasta que la fuente de luz de hidrógeno brille de manera estable. Al apagar las luces, primero reduzca el transformador al voltaje más bajo y luego desconecte la fuente de alimentación. Discusión de preguntas 1. ¿Cómo ajustar las líneas espectrales de diferentes longitudes de onda en el ocular espectral? ¿Dónde debe leerse la posición relativa de cada línea espectral cuando emerge? 2. ¿Cómo calibrar la longitud de onda espectral de una sustancia? 3. ¿Cuáles son los números cuánticos n de cada una de las tres líneas espectrales del sistema de líneas de Balmer del espectro del átomo de hidrógeno? 4. Con base en el experimento de la rejilla y el aprendizaje y la práctica de este experimento, haga una breve comparación y análisis del espectro de la rejilla y el espectro del prisma. 5. ¿Cómo ajustar la posición de cada fuente de luz del espectro de comparación para que quede ubicada en el eje óptico de la lente colimadora del espectrógrafo? 6． ¿Cuál es el principio del uso del espectro comparativo para determinar la longitud de onda de las ondas de luz? 7. ¿Cuál es la función del diafragma de Hartmann? 8. ¿Por qué la película fotosensible tiene que estar en cierta posición inclinada para que todas las líneas espectrales en la región de luz visible sean claras? 9. ¿Conoce algún método para medir la longitud de onda de la luz? ¿Qué tipo de experimentos has hecho? Intenta comparar sus características. Apéndice 1. Estructura básica del espectrógrafo El principio del sistema óptico del espectrógrafo es el que se muestra en la figura de la derecha. La luz emitida por la fuente de luz S se condensa en la rendija ajustable a través del condensador. un haz con ancho e intensidad apropiados. La luz pasa a través de la lente colimadora y se convierte en luz paralela e incide en el prisma. El prisma la refracta y la dispersa, y otro condensador en el sistema receptor la refleja. Todos los componentes anteriores están instalados en el riel guía. Los principales componentes del espectrógrafo se presentan a continuación. (1) Cabezal hendido El cabezal hendido consta de una pieza hendida, una cubierta hendida, un diafragma Hartmann, un volante de escala, un interruptor de exposición, etc. La cabeza hendida es la parte mecánica más precisa e importante del espectrómetro. Se utiliza para limitar el haz incidente, constituye la fuente de luz real del espectro y determina directamente la calidad de las líneas espectrales. La pieza cortada consta de un par de filos de cuchillo que se pueden abrir y cerrar simétricamente. La acción de apertura y cierre se controla mediante el volante de escala d. El volante de escala es una parte importante para mantener la precisión de la hendidura. Por lo tanto, la fuerza debe ser uniforme y suave al girar el volante. La cubierta de la hendidura está equipada con una guía Hartmann c que se puede tirar hacia la izquierda y hacia la derecha. La cubierta está equipada con un tirador hacia la izquierda o hacia la derecha para controlar la apertura de la ranura, cierre el interruptor de exposición e, como se muestra en la Figura 28-3. La parada Hartmann se utiliza para cambiar la posición de las líneas espectrales en la película fotográfica para facilitar la comparación de tres líneas espectrales. Cuando las tres líneas grabadas en la placa son tangentes al borde de la cubierta de la hendidura, significa que los tres orificios elípticos en la placa del diafragma se mueven hacia el frente de la hendidura en consecuencia, seleccionando así la posición del espectro en la película. El interruptor de exposición también tiene una función a prueba de polvo y debe apagarse cuando no esté en uso. (2) Sistema de dispersión El sistema de dispersión es un prisma de deflexión constante, que desvía la luz 90o mientras la dispersa. El propio prisma también puede girar alrededor del eje vertical. (3) Sistema receptor Hay tres tipos de sistemas receptores para espectrógrafos de prismas pequeños. ① Cámara; ② Ocular de espectro; ③ Ranura de salida, se pueden instalar en las ubicaciones que se muestran en la Figura 28-2 respectivamente. Si se instala una cámara, se puede visualizar el espectro en la pantalla de vidrio esmerilado. Una vez que el enfoque esté claro, retire la pantalla de vidrio esmerilado y reemplácela con una película fotosensible, y las líneas del espectro se pueden exponer y fotografiar. Si se instala una rendija de salida, se forma un monocromador. Al girar la rueda de ajuste del ángulo del prisma, se pueden emitir diferentes líneas espectrales enfocadas en la rendija de salida para obtener la luz monocromática requerida. Si se instala un sistema ocular de lectura del espectro, las líneas espectrales se pueden observar directamente con los ojos. Este experimento utiliza un sistema de visualización del espectro para medir las longitudes de onda de varias líneas del espectro de emisión. En el campo de visión del ocular espectral se encuentra un pequeño triángulo negro que sirve como punto de referencia para medir la longitud de onda de las líneas espectrales. Cuando se gira la rueda de ajuste del ángulo del prisma, la posición del prisma gira y la posición de la línea espectral emitida también se mueve. Cuando la línea del espectro a leer se mueve a la posición del triángulo negro, se puede leer en la escala en espiral conectada al. rueda de ajuste de ángulo muestra la posición relativa del prisma en este momento. Si desea conocer el valor de la longitud de onda de la línea espectral en este momento, primero debe calibrar la escala espiral.

2. Tabla de longitudes de onda estándar del espectro de mercurio e hidrógeno Color y longitud de onda de la fuente de luz (nm) Helio azul azul verde azul verde azul verde amarillo rojo 438,79 447,15 471,32 492,19 501,57 504,77 587,56 667,82 706,57 Mercurio violeta azul verde amarillo amarillo rojo 404,66 407,80 3 5,84 491,60 546,07 576,96 579,07 623,40 Hidrógeno violeta azul rojo 434,05 486,13 656,28