voln_op
.pdf
Если в поляриметр ввести кювету с оптически активным веществом, то плоскость поляризации излучения, вышедшего из поляризатора, развернется в веществе на некоторый угол и равномерность освещенности двух полей зрения нарушится. Чтобы снова получить равномерное поле зрения, применяется компенсатор, с помощью которого плоскость поляризации разворачивается назад на тот же угол. Перемещение клиньев компенсатора связано со специальным отсчетным устройством 11, позволяющим измерять углы поворота плоскости поляризации. Шкала снабжена нониусом. Точность, обеспечиваемая нониусом, и цена деления шкалы в угловых единицах указаны на рабочем столе.
Порядок выполнения работы
1.Включают в сеть осветитель поляриметра.
2.Перемещая окуляры зрительной трубы и отсчетного устройства, фокусируют их так, чтобы четко были видны тонкая линия границы раздела половин поля зрения в окуляре зрительной трубы и отсчетная шкала в окуляре отсчетного устройства.
3.Сначала измерения проводят с матовым стеклом. Добиваются равенства освещенностей двух половин поля зрения, вращая рукоятку, связанную с компенсирующим устройством.
4.Помещают в сахариметр трубку, наполненную водой, с помощью компенсатора уравнивают освещенности половин поля зрения и производят
отсчет по шкале n0. Измерения повторяют пять раз, результаты измерения заносят в табл.1.
5.Помещают в поляриметр трубку с раствором известной
концентрации C и измеряют угол поворота плоскости поляризации n1 (отсчеты угла поворота производят в делениях шкалы с точностью, обеспечиваемой нониусом). Измерения повторяют пять раз.
6.Те же измерения производят для трубок с растворами неизвестной концентрации. Каждый отсчет производят не менее пяти раз, результаты всех измерений заносят в таблицу.
7.Аналогичные измерения проводят со светофильтрами.
Таблица 1
Используемый |
№ |
n0 |
n1 |
nх1 |
nх2 |
φ1 |
φх1 |
φх2 |
сх1 |
сх2 |
|
светофильтр |
измерения |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка результатов измерений и оформление отчета
1. Вычисляют средние значения измеренных величин n0 , n1 , nx i .
51
2. Рассчитывают углы поворота плоскости
соответствующие различным концентрациям раствора |
Ci |
,
i
поляризации, = (ni - n0 ), где
β- цена деления шкалы. Результаты расчетов заносят в таблицу. 3. Рассчитывают неизвестную концентрацию раствора сахара
|
|
|
|
xi |
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
n |
- n |
l |
|
|
C |
|
= |
|
= |
|
xi 1 |
C |
, |
C |
|
= |
( xi |
0 ) 1 |
C , |
|||||
|
xi |
|
l |
xi |
|
l |
|
1 |
|
|
xi |
|
|
n - n l |
|
1 |
|||
|
|
|
|
|
|
1 xi |
|
|
|
|
|
( 1 |
0 ) xi |
|
|||||
где l1 , l2 - длины соответствующих трубок с растворами.
(6)
4.Оценивают систематическую ошибку θCхi и случайную SCxi .
5.Аналогичные расчеты проводят, используя результаты измерений с различными светофильтрами. Сравнивают полученные результаты.
Контрольные вопросы
1.В чем состоит явление оптической активности, как оно объясняется?
2.От чего зависит удельное вращение плоскости поляризации?
3.Каковы основные элементы поляриметра и их назначение?
4.Каково устройство компенсатора, принцип его действия и назначение?
5.Почему окрашено поле зрения поляриметра, хотя используется источник белого света?
52
Лабораторная работа № 8
МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Цель работы: определить постоянную вращения плоскости поляризации света и удельный заряд электрона.
Методические указания
При прохождении линейно поляризованного света через оптически активные вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Наряду с естественной оптической активностью существует искусственная оптическая активность. Вещества, неактивные в обычном состоянии, приобретают способность вращать плоскость поляризации, если их подвергнуть деформации, действию электрического или магнитного полей. В лабораторной работе исследуется явление искусственной оптической активности, возникающей под действием магнитного поля – эффект Фарадея. Вращение плоскости поляризации наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности.
Угол поворота φ пропорционален величине магнитной индукции B внешнего магнитного поля и толщине l слоя вещества, через который проходит свет
= RBl,
(1)
где R– постоянная магнитного вращения – постоянная Верде.
Величина R различна для разных веществ, зависит от длины волны света и слабо меняется с температурой. Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления распространения света.
Явление магнитного вращения плоскости поляризации связано с расщеплением линии поглощения в продольном магнитном поле. Одиночная линия поглощения, наблюдаемая в отсутствии магнитного поля, расщепляется на две линии, сдвинутые симметрично в область больших и меньших частот. Величина сдвига Δω пропорциональна магнитной индукции внешнего поля и определяется формулой
= |
e |
|
B, |
|
2 |
||
|
mc |
|
|
|
|
|
(2)
где e- заряд электрона; m- масса электрона; c- скорость света.
Наблюдения в продольном магнитном поле показывают, что собственные частоты, соответствующие правому и левому вращению, смещаются в разные стороны. Показатель преломления зависит от близости частоты исследуемой волны к собственным частотам вещества (дисперсия). Поэтому под действием магнитного поля показатель преломления для волн данной частоты, поляризованных по правому и левому кругу, изменяется
53
по-разному, а это, в свою очередь, приводит к повороту плоскости поляризации.
Электронная теория дает следующее выражение для постоянной Верде
R = |
e |
|
A |
, |
|
|
2 |
|
2 |
||
|
mc |
|
|||
|
|
|
|
||
(3)
где λ- длина волны излучения; A- постоянная, зависящая от природы вещества. Для воды A=2,32∙10-3 угл. мин.м3 ∙с -1 .
Измерение угла поворота плоскости поляризации света в слое вещества толщиной l, помещенного в магнитное поле B, позволяет определить постоянную Верде R и, используя соотношение (3), найти удельный заряд электрона.
Описание лабораторной установки
Угол поворота плоскости поляризации измеряется с помощью поляриметра (сахариметра), описание которого и схема приведены в ЛР7. Прежде, чем перейти к выполнению работы, ознакомьтесь с прибором.
В поляриметр помещается трубка, заполненная водой; на трубку намотаны витки соленоида. Соленоид включается в цепь постоянного тока. Магнитное поле внутри катушки направлено вдоль оси соленоида и зависит от величины силы тока. Ток в цепи соленоида регулируется реостатом и измеряется амперметром. С помощью переключателя можно менять направление тока через соленоид; кнопка – прерыватель позволяет замыкать цепь соленоида лишь на время измерения.
Порядок выполнения работы
1.Включают в цепь осветитель поляриметра. Настраивают прибор: перемещением окуляров зрительной трубы и отсчетного устройства добиваются резкого изображения границы раздела двух половин поля зрения в окуляре зрительной трубы и отсчетной шкалы в окуляре отсчетного устройства. На пути луча устанавливают один из светофильтров.
2.Замыкают цепь соленоида и устанавливают нужное значение силы тока. Токи, при которых следует производить измерения, указаны на
рабочем столе. Добиваясь одинаковой яркости обеих половин поля зрения, измеряют угол поворота плоскости поляризации φ′. Отсчет угла производят по шкале с нониусом. Результаты измерений заносят в табл.1.
3.С помощью переключателя изменяют направление тока в соленоиде
ивновь измеряют угол поворота плоскости поляризации φ″. Результаты измерений заносят в табл.1. Для каждого значения силы тока угол поворота плоскости поляризации измеряют не менее трех раз.
4.Измерения по пп.2 и 3 производят для трех значений силы тока.
54
5. Аналогичные измерения проводят с Значения длин волн, соответствующих светофильтров, указаны на рабочем столе. Таблица 1
Светофильтры |
λ1= |
λ2= |
λ3= |
||||
I |
В |
ў |
І |
ў |
І |
ў |
І |
1 |
1 |
2 |
2 |
3 |
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
другими светофильтрами. максимуму пропускания
Результаты вычислений
|
|
|
жe ц |
|
Rλ1 |
Rλ2 |
Rλ3 |
з |
ч |
з |
ч |
|||
з |
ч |
|||
|
|
|
иm ш |
|
|
|
|
|
|
Обработка экспериментальных результатов
1. По результатам измерений вычисляют углы поворота плоскости поляризации φi, соответствующие различным значениям силы тока в цепи
соленоида, i = 12 ( iў+ iІ ) .
2.Вычисляют значения индукции магнитного поля соленоида B= μ0μIn; μ0=4π∙10-7 Гн/м; I - сила тока; n - число витков на единицу длины соленоида.
3.Пользуясь соотношением (1), вычисляют постоянную Верде. Все расчеты производят в системе СИ.
4.Пользуясь соотношением (3), вычисляют удельный заряд электрона (e/m). Оценивают ошибку измерений θe/m.
Контрольные вопросы
1.В чем состоит явление искусственной оптической активности, какова его природа?
2.От чего зависит величина постоянной Верде?
3.Как определить напряженность магнитного поля с помощью эффекта Фарадея?
4.Каковы основные элементы поляриметра и их назначение?
5.Каково устройство компенсатора, принцип его действия и назначение?
55
Лабораторная работа № 9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОМОЩЬЮ СПЕКТРОМЕТРА
Цель работы: ознакомиться с принципом работы спектрального прибора и определить длины волн спектральных линий.
Методические указания
Спектральные приборы служат для пространственного разделения лучей различных длин волн. Принципиальная схема спектрального прибора представлена на рис.1. Прибор состоит из трех частей: коллиматора К, служащего для получения параллельного пучка лучей, диспергирующей системы П (призмы или дифракционной решетки), разлагающей свет на монохроматические пучки, и зрительной трубы ЗТ. Ход лучей в данной схеме следующий: свет от источника S проходит через конденсор Л и освещает щель Щ коллиматора, расположенную в фокальной плоскости объектива O1. Из коллиматора выходит параллельный пучок лучей, который падает на призму П. Параллельные пучки лучей разных длин волн соберутся в фокальной плоскости Ф объектива зрительной трубы O2. Спектр, который представляет собой ряд цветных изображений щели, можно рассматривать через окуляр зрительной трубы Oк. Такой спектральный прибор называют спектрометром. Если окулярную часть прибора заменить фотокамерой, то получится прибор, называемый спектрографом. Если вместо окуляра в фокальной плоскости объектива O2 установить вторую щель, то прибор позволит выделить отдельные участки спектра. Такой прибор называют монохроматором. Если на выходе монохроматора поставить фотоэлемент, то получим спектрофотометр. Прибор УМ-2 – универсальный.
s
П
α
К
|
Щ |
O |
Л |
1 |
|
|
|
Рисунок 1
ЗТ
O |
Ф |
Oк |
2 |
|
56
Для измерения длины волны λ какой-либо линии спектра нужно определить угол, на который соответствующий луч отклоняется призмой. Поворачивая зрительную трубу и добиваясь совмещения указателя с интересующей нас линией спектра, можно определить направление лучей данной длины волны. В нашем спектрометре поворачивается не зрительная труба, а призма.
Одной из основных характеристик любого спектрального прибора является его дисперсия. Дисперсией называется угловое или линейное расстояние между спектральными линиями, различающимися по длине волны на единицу. Если дисперсия выражается в угловых единицах, то это будет угловая дисперсия
D = |
d |
. |
(1) |
d
Если дисперсия выражается линейным расстоянием между двумя линиями, то это будет линейная дисперсия Dl
D = |
dl |
. |
|
||
l |
d |
|
|
|
(2)
Зная угловую дисперсию и фокусное расстояние объектива зрительной трубы F, можно определить линейную дисперсию
D = F |
d |
= D ЧF. |
(3) |
|
|||
l |
d |
|
|
|
|
|
Это различие обусловлено тем, что дисперсия спектрального прибора зависит от собственной дисперсии диспергирующего элемента. В нашем приборе в качестве диспергирующего элемента используется призма, поэтому дисперсия прибора связана с дисперсией показателя преломления материала призмы. В спектральных приборах призма обычно устанавливается вблизи положения наименьшего отклонения. Зная преломляющий угол призмы α и показатель преломления n, можно из закона преломления найти связь между n, α и φ, где φ- угол наименьшего отклонения
|
sin( + |
|
n = |
|
|
|
sin |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
) |
|
2 |
||
. |
||
|
.
(4)
Величины n и φ обнаруживают дисперсию, то есть зависят от длины волны света
dn |
= |
dn |
|
d |
. |
(5) |
d |
|
|
||||
|
d d |
|
||||
Воспользовавшись соотношениями (4) и можно выразить в виде
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
1 |
|
|
|
|
2 |
|
2 |
2 |
||
D |
= 2sin |
|
(1- |
n |
sin |
) |
|||
|
|
|
|||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5), угловую дисперсию
dn |
, |
(6) |
|
d |
|||
|
|
т.е. дисперсия спектрального прибора пропорциональна дисперсии материала призмы.
57
Описание установки
Общий вид экспериментальной установки приведен на рис.2. Монохроматор УМ-2 укреплен на рельсе, где также размещены источник света 1 и конденсор 2. Входная щель 3 регулируется по ширине микрометрическим винтом, оптимальная ширина щели 0,02мм.
4 |
3 |
2 |
1 |
|
|
|
5
Рисунок 2
Вфокальной плоскости объектива 5 зрительной трубы имеется индекс
ввиде треугольника. Индекс наблюдается через окуляр и служит меткой, на которую наводится спектральная линия. В верхней части тубуса окуляра имеется лампочка для освещения индекса. Непосредственно под лампочкой расположен диск с набором светофильтра (рекомендуется освещать индекс красным светом).
Отсчетным устройством прибора является барабан 4, который соединен с системой диспергирующих призм. При повороте барабана поворачивается вся система призм и происходит перемещение спектра. Барабан имеет спиральную шкалу с делениями от 0° до 3500°. При повороте барабана на 3500° призмы поворачиваются на 9°43´20´´, что составляет 35000´´. Следовательно, при повороте барабана на одно малое деление призмы поворачиваются на 20".
Источниками света в данной работе являются спектральные лампы или спектральные газоразрядные трубки. ЛАМПЫ И ТРУБКИ СЛЕДУЕТ ВКЛЮЧАТЬ ТОЛЬКО НА ВРЕМЯ НАБЛЮДЕНИЯ!
58
Порядок выполнения работы и требования к отсчету
1. Градуировка шкалы барабана УМ-2 Прежде чем переходить к определению длин волн спектральных
линий, необходимо отградуировать прибор. Градуировка шкалы барабана УМ-2 в длинах волн производится с помощью источника с известным спектром испускания (таблица 1). Таким источником служит ртутная лампа. Последовательно совмещают с индексом различные линии ртути (от красной до фиолетовой) и делают отсчеты по барабану, отмечая цвет линий.
Таблица 1
№ |
Цвет линии |
Длина |
№ |
Цвет линии |
Длина |
|
|
волны, |
|
|
волны, мкм |
|
|
мкм |
|
|
|
1 |
Красная 1 |
0,7082 |
7 |
Зеленая |
0,5461 |
2 |
Красная 2 |
0,6907 |
8 |
Голубая |
0,4916 |
3 |
Красная 3 |
0,6234 |
8 |
Синяя |
0,4358 |
4 |
Красная 4 |
0,6128 |
10 |
Фиолетовая 1 |
0,4078 |
5 |
Желтая 1 |
0,5791 |
11 |
Фиолетовая 2 |
0,4047 |
6 |
Желтая 2 |
0,5770 |
|
|
|
Затем измерения повторяют в обратном порядке. Результаты измерений записывают в таблицу 1. По полученным значениям вычисляют средний отсчет по барабану для каждой спектральной линии и, используя значения длин волн линий ртути, строят график зависимости угла отклонения от длины волны. График строят на миллиметровой бумаге.
Таблица 2
|
|
Отсчет по барабану |
Среднее |
|||
|
|
|
|
значение |
||
Цвет линии |
Длина |
в прямом |
в обратном |
отсчета по |
||
волны λ |
направлении |
направлении |
барабану |
|||
|
||||||
|
|
φ1 |
φ2 |
= |
1 + 2 |
|
|
|
|
|
2 |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Определение длин волн спектральных линий После градуировки ртутная лампа заменяется неоновой или кадмиевой.
С помощью градуировочного графика следует определить длины волн ряда линий в спектре излучения исследуемого источника, отмечая их цвет и интенсивность (область спектра указывается преподавателем).
3. Определение дисперсии монохроматора УМ-2 Дисперсия прибора различна в различных участках спектра. В данной
работе следует определить угловую и линейную дисперсию для следующих участков спектра: 0,40 мкм; 0,45 мкм; 0,50 мкм; 0,55 мкм; 0,60 мкм; 0,65
59
мкм; 0,70 мкм. Величины Dφ численно равны тангенсу угла наклона касательной к градуировочной кривой (находится по градировочному графику с учетом цены деления барабана). Для вычисления линейной дисперсии необходимо значение угловой дисперсии перевести в радианы на микрометр и умножить на фокусное расстояние зрительной трубы F=270 мм. Полученные данные заносятся в табл.3.
Таблица 3
Область спектра, |
Dφ |
Dφ |
Dl |
мкм |
дел.бар/мкм |
рад/мкм |
мм/мкм |
|
|
|
|
0,400 |
|
|
|
|
|
|
|
0,450 |
|
|
|
|
|
|
|
0,500 |
|
|
|
|
|
|
|
По полученным данным строится график зависимости линейной дисперсии монохроматора от длины волны.
Контрольные вопросы
1.В чем состоит явление дисперсии света?
2.Объясните принцип работы монохроматора.
3.Что служит диспергирующим элементом, какова его роль?
4.Что такое дисперсия спектрального прибора, как она зависит от длины волны?
5.Как дисперсия прибора связана с дисперсией вещества призмы?
60