Порядок виконання роботи

1. Встановити перед щілиною коліматора газосвітну трубку з відомим газом неоном (довжини хвиль його спектральних ліній даються в окремій таблиці). Увімкнути пусковий пристрій. Після того, як засвітиться газосвітна трубка, переміщуючи окуляр уздовж зорової труби, досягти чіткого зображення спектра і візира.

2. Мікрометричним гвинтом встановлювати зорову трубу в такі положення, щоб візир збігався з певною спектральною лінією. Для кожної спектральної лінії знімати покази мікрометричного гвинта m.

3. Результати та колір відповідної спектральної лінії записати в таблицю.

4. З таблиці 2 записати для відомого газу.

5. Проградуювати спектроскоп, тобто побудувати графік залежності між довжинами монохроматичних електромагнітних хвиль λ_і, взятими з таблиці для відомого газу, і показами мікрометричного гвинта m_і, що відповідають цим довжинам хвиль .

6. Перед щілиною коліматорної трубки замість газосвітної трубки з відомим газом розмістити газосвітну трубку з невідомим газом. Виконати операції, вказані в пп. 1 – 4, і зняти покази із шкали мікрометричного гвинта m^’_і, для різних спектральних ліній λ^’_і та записати їх колір.

7. За побудованим раніше графіком залежності між довжинами λ_і монохроматичних електромагнітних хвиль, які випромінює відомий газ, і відповідними показами мікрометричного гвинта m_і знайти відповідні довжини λ^’_і електромагнітних хвиль, які випромінює невідомий газ.

8. За таблицею лінійчастих спектрів визначити назву невідомого газу.

9. Результати вимірювань занести в таблицю.

Таблиця 1

№ п/п	mі	Колір спектральної лінії	λі, нм	m’і	Колір спектральної лінії	λ’і, нм	Невідомий газ

Контрольні запитання і завдання

1. Сформулюйте перший і другий постулати Бора.

2. Як здійснюються переходи між двома енергетичними рівнями в атомі ?

3. За яким законом розподіляються атоми за спектральними рівнями в квантовій системі в умовах термодинамічної рівноваги ?

4. У чому полягає явище дисперсії світла ?

5. Розкажіть про будову спектроскопа, призначення його головних частин.

6. Принцип дії спектроскопа.

7. У чому полягає градуювання спектроскопа ?

Лабораторна робота КО 6

Дослідження закономірностей згасання фосфоресценції

Мета роботи: вивчити явище люмінесценції світла і навчитися експериментально досліджувати закономірності згасання фосфоресценції різних фосфорів.

Основні теоретичні відомості

Люмінесценція – це випромінювання, надлишкове над тепловим випромінюванням при даній температурі. Люміністенція збуджується різними факторами (при електричному розряді в газах, хімічних процесах, опроміненні речовин ультрафіолетовим, рентгенівським та іншими видами випромінювання) і продовжується протягом часу, що значно перевищує період світлових хвиль.

На відміну від теплового люмінесцентне випромінювання не має рівноважного характеру, воно припиняється, як тільки витрачається енергія того процесу, яким люмінесценція викликана.

Через те, що люмінесценція може спостерігатись при довільній температурі, зокрема, при кімнатній, вона часто називається холодним свіченням.

Друга частина визначення люмінесценції (ознака тривалості) введена С.І. Вавіловим для того, щоб відмежувати люмінесценцію від різних видів розсіяння і відбивання світла, гальмівного і деяких інших видів випромінювання. При люмінесценції між поглинанням і випромінюванням відбуваються проміжні процеси, тривалість яких більша за період світлової хвилі. Залежно від факторів, що збуджують люмінесценцію, розрізняють такі її види:

– фотолюмінісценція (збуджується дією на речовину випромінюванням в оптичному діапазоні хвиль);

– катодолюмінісценція (збуджується швидкими електронами (катодними променями)

– рентгенолюмінесценція (збуджується рентгенівськими променями);

– радіолюмінісценція (збуджується радіоактивним випромінюванням – α , β, γ променями);

– хемілюмінесценція (збуджується внаслідок хімічних реакцій);

– біолюмінесценція (збуджується внаслідок біологічних процесів);

– триболюмінесценція (виникає при терті або розжарюванні кристалів).

При будь-якому виді люмінесценції атоми або іони речовини поглинають кванти енергії і переходять у збуджений стан.

Центрами люмінесценції в твердому тілі є іони або їх групи, що перебувають біля того місця кристалічної гратки, де правильність її структури порушена включенням активатора – атома іншої речовини або вакансії. Повернення збудженого центра люмінесценції у нормальний або менш збуджений стан супроводжується випромінюванням люмінесцентного світла.

Тривалість світіння обумовлена тривалістю збудженого стану. Люмінесценцію з часом згасання 10^-9…10^–8 с називають, звичайно, флюоресценцією. Такий час згасання характерний для фотолюмінісценції багатьох речовин, в основному, рідин і газів.

Люмінесценція, яка спостерігається тривалий час після припинення дії збуджувача світіння, називається фосфоресценцією. Така тривалість світіння спостерігається у деяких твердих тіл, що здатні давати люмінесценцію.

Поділ люмінесценції на флюоресценцію і фосфоресценцію умовний, через те, що встановити точну часову межу між ними неможливо. Але, звичайно, якщо світіння припиняється менше ніж через 10^–7 с, то його називають флюоресценцією, а якщо тривалість світіння більша ніж 10^–7с (іноді вона досягає кілька секунд, хвилин і навіть годин), – фосфоресценцією.

Відомий фізик ХХ століття С.І.Вавілов встановив, що спектральний склад і інтенсивність люмінесцентного випромінювання залежать не від факторів, що збуджують люмінесценцію, а від природи і концентрації речовини – люмінофора. На цьому положенні ґрунтуються якісні та кількісні методи люмінесцентного аналізу, що широко використовуються в науці і техніці. Чутливість люмінесцентного аналізу настільки велика, що найнезначніші кількості речовини-люмінофора дозволяють виявити її в пробі (дослідному зразку).

Фотолюмінесценція збуджується звичайно електромагнітним випромінюванням видимого або ультрафіолетового діапазону. Фотолюмінесцентна речовина випромінює, як правило, світло з більшою довжиною хвилі, ніж випромінювання, яке збуджує люмінесценцію. Це положення, вперше встановлене Д.Стоксом, називається Правилом Стокса.

Правило легко пояснюється квантовою теорією. Припустимо, що фотон світла, який збуджує фотолюмінесценцію, має енергію h . За законом збереження енергії ця енергія фотона частково витрачається на створення фотона з енергією h _люм люмінесцентного випромінювання, а решта буде використана на різні неоптичні процеси, що можна виразити формулою

h = h _люм+ w. (6.1)

Звідси бачимо, що > _люм, а отже, λ<λ_люм, що й стверджується правилом Стокса.

Іноді фотолюмінесцентне випромінювання має довжину хвилі меншу, ніж довжина хвилі збуджуючого світла (так зване антистоксове випромінювання). Це явище пояснюється тим, що до енергії h фотона збуджуючого випромінювання додається енергія теплового руху атомів або іонів люмінесцентної речовини, що можна виразити за формулою.

h + kT= h _люм, (6.2)

де – коефіцієнт, який залежить від природи люмінесцентної речовини;

k – стала Больцмана; T – абсолютна температура.

Після припинення дії збудника при люмінесценції інтенсивність люмінесцентного випромінювання з часом зменшується за експоненціальним законом:

І = І₀ e ^–вt, (6.3)

де І_о, І – інтенсивність випромінювання відповідно в початковий момент часу

t = 0 і в момент часу t після припинення дії збуджуючого фактору; в – стала величина, що залежить від роду люмінесцентної речовини.

Залежність (6.3) є аналітичним виразом закону згасання люмінесценції.

У випадку фосфоресценції закон згасання можна подати у вигляді:

І = І₀ (1+рt)^–2,

(6.4)

це так званий гіперболічний закон згасання.

Сталу р можна знайти експериментально. Для цього формулу (6.4) приводять до вигляду:

. (6.5)

З (6.5) видно, що залежність величини F= від часу t лінійна. Отже, величину р можна визначити як тангенс кута нахилу прямої, побудованої в координатах F і t ( ).

У лабораторній роботі використовується набір фосфорів. Інтенсивність фосфоресценції вимірюється за допомогою фоторезистора, що перетворює світловий сигнал у електричний, причому отриманий електричний струм пропорційний інтенсивності фосфоресценції. Пропорційність забезпечується використанням лінійної частини світлової характеристики фоторезистора.

Вимірювальна камера – це циліндр, у дні якого встановлено фоторезистор і мікроперемикач, а на кришці – набір фосфорів.

До фоторезистора прикладається напруга 200 В від випрямляча. В електричне коло крім випрямляча і фоторезистора входить мікроамперметр і мікроперемикач. Усі елементи схеми з’єднуються послідовно.

Мікроперемикач увімкнений у схему для того, щоб електричне коло було замкнене тільки при закритій камері.

Коло замикається при натисканні на кнопку мікроперемикача кришки камери.

Потрібне устаткування: вимірювальна камера, що включає джерело фосфоресценції, приймач світла (фоторезистор) і елементи автоматики, джерело світла, джерело живлення, мікроамперметр, ключ, підвідні провідники, секундомір або годинник із секундною стрілкою.