для чего служат спектральные аппараты
Спектральные приборы.
Как чувствительный элемент используется чувствительная к нагреванию пластину термометра сопротивления, предварительно покрытая сажей для улучшения поглощения света. Ширина Δl пластины должна соответствовать спектральному участку Δv (см. рисунок ниже). Сигнал, который будет сниматься с термометра сопротивления, окажется пропорционален поглощенной энергии света в интервале частот Δv — спектральной плотности интенсивности излучения. Откладывая по оси абсцисс значения частот, соответствующих серединам интервалов Δv, а по оси ординат — спектральную плотность интенсивности излучения, мы получим кривую распределения энергии по частотам.
На рисунке изображена видимая часть спектра электрической дуги.
Спектральные аппараты применяются для точного исследования спектров. Схема устройства подобного аппарата — спектрографа:
Исследуемое излучение попадает в коллиматор, который является трубкой, на одном конце которой есть входная щель, а на другом — собирающая линза L1. Щель расположена в фокусе линзы. После линзы параллельный пучок света направляется на призму — диспергирующий элемент прибора (его основная часть). Выходящие из призмы параллельные пучки попадают на линзу L2, в фокусе которой расположен экран — фотопластина либо матовое стекло. Линза L2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, где вместо одного изображения щели получается ряд изображений. Каждому узкому спектральному интервалу соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.
Призмы могут быть изготовлены не только из стекла, но и из кварца, каменной соли и других материалов, — в зависимости от того, какой интервал частот (либо длин волн) спектра излучения исследуется — видимый, UF либо ИК. Вместо призмы как диспергирующий элемент также можно использовать дифракционные решетки.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Спектральный аппарат
Спектральные аппараты должны обеспечивать возможность работы со слабыми интенсив-ностями исследуемого излучения. В этом отношении интерферометр Фабри-Перо существенно превосходит дифракционную решетку, особенно если пользоваться фотоэлектрической регистрацией в схеме сканирующего интерферометра Фабри-Перо. Разрешающая способность в Фурье-спектроскопии определяется максимальной разностью хода, которая может быть обеспечена механизмом подвижного зеркала1, и достигает больших значений. [1]
Спектральный аппарат заключен в корпус 23, на котором укреплен окуляр 24, а с помощью трубки 25 присоединен изолятор с головкой. В трубе 25 помещается оправа со щелью. В поле зрения окуляра имеется указатель для фиксации спектральных линий. Наглазник защищает глаза от попадания постороннего света. Налобник позволяет наблюдателю опираться о прибор, что создает для него устойчивое положение. Вращением маховичка 27 осуществляется поворот призмы 8, вследствие чего спектр перемещается в поле зрения окуляра. Ручка 30 служит для удерживания прибора во время работы. [2]
Спектральные аппараты устроены таким образом, что световые колебания каждой длины волны, попадающие в прибор, образуют одну линию. Сколько различных волн присутствовало в излучении источника света, столько линий получается в спектральном аппарате. [4]
Спектральные аппараты служат для пространственного разделения лучей различных длин волн. [6]
Спектральные аппараты устроены таким образом, что световые колебания каждой длины волны, попадающие в прибор, образуют одну линию. Сколько различных волн присутствовало в излучении источника света, столько линий получается в спект ральном аппарате. [8]
Все спектральные аппараты при выпуске с завода снабжают контрольным спектром, полученным на данном приборе. Разрешение определенных близких линий в этом спектре служит гарантией высокого качества изготовления прибора. Эти спектры удобны также для проверки правильности установки и фокусировки приборов в лаборатории. Их сравнивают со спектрами тех же веществ, полученными на приборе в лаборатории. [9]
Выбирая спектральные аппараты с подходящими параметрами, можно увеличить чувствительность анализа, которая зависит от отношения интенсивности спектральных линий к сплошному фону. [10]
Каждый спектральный аппарат рассчитан на работу в определенной области спектра. Оптические детали самого спектрального аппарата и системы освещения щели должны быть прозрачны во всей рабочей области спектра. [12]
Выбирая спектральные аппараты с подходящими параметрами, можно увеличить чувствительность анализа, которая зависит от отношения интенсивности спектральных линий к сплошному фону. [13]
Каждый спектральный аппарат рассчитан на работу в определенной области спектра. Оптические детали самого спектрального аппарата и системы освещения щели должны быть прозрачны во всей рабочей области спектра. [14]
Для чего служат спектральные аппараты
Распределение энергии в спектр
Ни один из источников не дает монохроматического света, т. е. света строго определенной длины волны.
В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.
Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин волн (или частотам), входящим в состав светового пучка.
Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность I определяется энергией ΔW, приходящейся на все частоты.
Для характеристики распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот.
Эту величину называют спектральной плотностью потока излучения.
Обозначим ее через I(ν).
Тогда интенсивность излучения, приходящаяся на небольшой спектральный интервал Δv, равна I(ν)Δν.
Суммируя подобные выражения по всем частотам спектра, мы получим плотность потока излучения I.
Спектральную плотность потока излучения на разных частотах можно найти экспериментально.
Для этого надо с помощью призмы получить спектр излучения, например электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося на небольшие спектральные интервалы шириной Δν.
Зрительно оценить (приблизительно) распределение энергии нельзя, так как глаз обладает избирательной чувствительностью к свету: максимум его чувствительности лежит в желто-зеленой области спектра.
Лучше всего воспользоваться свойством очень черного тела почти полностью поглощать свет всех длин волн.
При этом энергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание тела.
Поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицу времени энергии.
По результатам таких опытов можно построить кривую зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты.
Эта кривая даст наглядное представление о распределении энергии в видимой части спектра электрической дуги.
Спектральные аппараты
Для точных исследований спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, или призма, уже недостаточны.
Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие (или почти не допускающие) перекрывания отдельных участков спектра.
Такие приборы называют спектральными аппаратами.
Их основной частью является призма или дифракционная решетка.
Устройство призменного спектрального аппарата
Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором.
Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза L1.
Щель находится на фокусном расстоянии от линзы.
Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму Р.
Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению.
Они падают на линзу L2.
На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран — матовое стекло или фотопластинка.
Линза L2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений.
Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение.
Все эти изображения вместе и образуют спектр.
Описанный прибор называется спектрографом.
Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом.
Призмы и другие детали спектральных аппаратов изготовляются не только из стекла.
Вместо стекла применяют и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.
Для чего служат спектральные аппараты
3.4. Спектральные приборы. Модель аппаратуры
3.4.1 Общая схема и показатели назначения спектроскопической установки
Общая схема спектроскопической установки представлена на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Блок-схема спектроскопической установки
Не все указанные блоки необходимы. Например, для качественного анализа можно обойтись без фотоприемника и регистрирующей системы, если использовать глаз, а в спектроскопии высокого разрешения нет спектрального прибора, но тогда обязательно должен быть фотоприемник и регистрирующее устройство.
К показателям назначения относятся:
Разрешение зависит от спектрального прибора, но возможно влияние осветительной системы;
3.4.2. Классификация спектральных приборов
В зависимости от способа регистрации спектра приборы делятся на:
В зависимости от элементов, обеспечивающих спектральное разложение, различают:
— приборы с дифракционной решеткой;
Несмотря на существенное различие физических принципов, призменные и дифракционные приборы имеют много общих свойств, поэтому мы объединим их в класс «Щелевые приборы» в отличие от «Интерференционных приборов», также имеющих общие характерные особенности.
3.4.3. Аппаратная функция (импульсный отклик) спектрального прибора
Однако функции f(x) и φ (z) в общем случае не совпадают. Это вызвано искажениями, которые неизбежно вносит прибор в регистрируемую функцию («аппаратными искажениями»). Например, при освещении щелевого спектрографа монохроматическим светом на пластинке фотографируется изображение входной щели конечной ширины, но т.к. линейному расстоянию на пластинке сопоставлен при градуировке определенный интервал длин волн, то результат воспринимается как излучение, заполняющее конечный спектральный интервал.
Предположим, что выполнены два условия:
1. Линейность регистрирующей системы, т.е. реакция системы на сумму сигналов равна сумме реакций на каждый из них в отдельности (для каждой системы существует диапазон входных сигналов, в котором это условие выполняется, исследователь должен определить этот диапазон и не использовать для каких либо количественных оценок сигналов, выходящих за границы линейности);
2. Инвариантность прибора, т. е. аппаратные искажения не зависят от абсолютных значений x и z, а только от их разности (в спектроскопии достаточно, чтобы это условие выполнялось в пределах исследуемой спектральной линии, что практически всегда имеет место).
Тогда сигнал на выходе системы есть свертка сигнала на входе и некоторой характеризующей свойства прибора функции g (x), называемой аппаратной функцией или импульсным откликом прибора:
3.4.4. Светосила прибора
3.4.5. Щелевые приборы
Рис. 3.5. Схема щелевого прибора
На рис. 3.5 представлена принципиальная схема щелевого монохроматора или спектрометра со сканированием спектра путем вращения диспергирующего элемента. В спектрографе и приборе с координатночувствительным фотоприемником в фокальной плоскости объектива L 2 располагается фотопластинка или фотоприемная матрица (линейка).
— угловая дисперсия dφ/dλ, она показывает, на какой угол dφ расходится после диспергирующего элемента первоначально параллельные лучи длин волн, отличающихся на dλ ;
Очень часто используются для характеристики приборов обратную линейную дисперсию dλ/dх (обычно приводится в паспорте прибора в единицах [нм/мм] или [ /мм]).
Аппаратная функция спектрографа (или спектрометра с координатночувствительным фотоприемником) с входной щелью шириной S вх имеет прямоугольную форму с шириной (см. рис. 3.6,а):
Рис 3.6. Формы аппаратных функций щелевых приборов
При сужении щелей прибора аппаратная функция не становится бесконечно тонкой, как следовало бы из условий (3.59), (3.60). При узких щелях аппаратная ширина определяется уже не геометрическим изображением щели, а дифракционным размытием этого изображения.
Рис 3.7. Зависимость δλ а от ширины щели
(уголовой размер дифракционного пятна ≈ λ/D)
Минимально достижимый с данным прибором интервал разрешения:
δλ кр = S н (dλ/dх) = (λ/D) × F(dλ/dх), (3.62)
Светосила (3.57) щелевого прибора также определяется относительным отверстием, поскольку Ω = (πD 2 )/(4F 2 ).
Рассмотрим теперь отличительные особенности призменных и дифракционных приборов.
Действие призмы основано на том, что показатель преломления n всех веществ зависит от длины волны (дисперсия света), а, следовательно, угол отклонения луча призмой будет различным для разных длин волн. Угловая дисперсия призмы существенно зависит от длины волны, поэтому градуировочные (по длинам волн) характеристики приборов нелинейны и для выполнения градуировки нужно большое число линий с известными длинами волн.
Из законов геометрической оптики можно получить выражение для угловой дисперсии призмы:
dφ/dλ = (t/D) × (dn/dλ) (3.63)
Рис. 3.8. Параметры призмы
Предельное разрешение призменного прибора получим, учитывая, что дифракционный угол равен λ/D:
Спектры и спектральные аппараты. Виды спектров. Спектральный анализ
Урок 34. Физика 11 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Спектры и спектральные аппараты. Виды спектров. Спектральный анализ»
Что наш язык земной
Пред дивною природой?
С какой небрежностью и легкою свободой
Она рассыпала повсюду красоту
И разновидное с единством согласила!
В данной теме речь пойдет о спектрах и спектральных аппаратах, рассмотрим основные виды спектров, а также поговорим о спектральном анализе.
Ранее рассматривалась дисперсия света. Дисперсия — это зависимость скорости распространения световых волн в среде от частоты света.
Впервые подробно исследовал дисперсию света Исаак Ньютон. Он доказал, что белый свет — это сложный свет, который состоит из простых, монохроматических лучей, которые при прохождении через призму отклоняются.
Радужную полоску, наблюдавшуюся на экране после прохождения белого света через призму, Исаак Ньютон назвал спектром.
В настоящее время, спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Их делят на три основных и принципиально разных типа: линейчатые, полосатые и сплошные.
Непрерывные спектры испускаются раскаленными телами в твердом или жидком состоянии, а также газами, которые находятся при очень высоком давлении и плазмой. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса.
Следующий тип — это линейчатые спектры. Их имеют все вещества, находящиеся в газообразном или атомарном состоянии. Такие спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, которые разделены широкими темными промежутками.
Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.
Полосатые спектры состоят из ряда цветных полос, которые разделены темными промежутками. С помощью хорошего оборудования можно обнаружить, что каждая полоса в таком спектре состоит из большого числа очень тесно расположенных линий. Полосатый спектр характерен для молекулярных газов, т.е. газов состоящих из слабо связанных друг с другом молекул.
Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.
Спектры поглощения твердых и жидких тел обычно имеют вид широких темных полос, которые закрывают часть сплошного спектра источника, а в случае атомарных газов они состоят из отдельных темных линий, видимых на фоне сплошного спектра. Так, например, если свет от электрической лампы пропустить через сосуд, содержащий пары лития или водорода, то на сплошном спектре лампы мы увидим узкие черные линии в соответствующих областях спектра.
Для спектров поглощения открыт закон обратимости спектральных линий Кирхгофа: линии поглощения соответствуют линиям испускания. Иными словами, атомы менее нагретых тел поглощают из сплошного спектра только те частоты, которые в других условиях они испускают. Эта закономерность дает возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.
Примером спектра поглощения может служить спектр поглощения солнечной атмосферы. Его сплошной спектр содержит значительное количество черных линий (около 20 000), возникающих при прохождении света через газовую оболочку Солнца и атмосферу Земли. Они получили название фраунгоферовых линий, так как именно Фраунгофер впервые наблюдал спектр Солнца и установил, что закономерность расположения линий поглощения не случайна и темные линии появляются всегда на строго определенных местах. По этим линиям был определен состав солнечной атмосферы и впервые открыт гелий.
Изучение спектров различных веществ показало, что подобно отпечаткам пальцев или радужной оболочки глаз у людей или узора на хвостах синих китов, линейчатые спектры различных элементов имеют свою неповторимую индивидуальность.
Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом.
Спектральный анализ — это самый быстрый и простой способ определения состава различных химических соединений.
Так, например, основатели спектрального анализа немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, исследуя спектры паров щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах. Так рубидий дает темно-красные, рубиновые линии, а слово «цезий» означает «небесно-голубой».
Спектральный анализ, проводимый по спектрам испускания, называют эмиссионным, а по спектрам поглощения — абсорбционным спектральным анализом.
Эмиссионный спектральный анализ базируется на двух основных положениях:
1) каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
2) интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.
К достоинствам спектрального анализа можно отнести:
– очень высокую чувствительность (обнаруживает элементы с относительной концентрацией десять в минус седьмой — десять в минус восьмой степени, т.е. один атом вещества на сто миллионов других атомов!);
– малое время измерения;
– малые количества исследуемого вещества вплоть до детектирования отдельных молекул;
– дистанционность измерений (например, можно проводить исследования состава атмосферы далеких планет).
Именно так, с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд, так как другие методы анализа здесь совершенно невозможны.
Благодаря относительной простоте и достаточной универсальности спектральный анализ является основным методом для контроля состава вещества в машиностроении и металлургии, атомной индустрии. С его помощью определяется химический состав руд и минералов, определяется возраст археологических находок, используется и в криминалистике.
Спектральный анализ в астрофизике дает возможность определять не только химический состав звезд и газопылевых облаков, но и некоторые другие физические характеристики, например температуру, давление, скорость движения небесного тела и индукцию его магнитного поля.
Естественно предположить, что для точных исследований спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, или призма, уже недостаточно. Поэтому требовалось создать приборы, способные давать четкий спектр и не допускающие перекрывания его отдельных участков. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Если спектральный аппарат предназначен для визуального наблюдения спектров, то его называют спектроскопом, а аппарат с фотографической регистрацией спектров — спектрограф. Есть спектральные аппараты и с фотоэлектрическими, и тепловыми приемниками. Их называют спектрометрами или спектрофотометрами.
Однако основной частью любого спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.
Для того чтобы понять как работают такие приборы, рассмотрим схему устройства призменного спектрографа.
В начале исследуемое излучение подается в часть прибора, называемую коллиматором. Он представляет собой трубу, на одном конце которой находится ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза, называемая коллиматорным объективом. Щель находится в фокусе коллиматорного объектива, поэтому пучок расходящихся лучей, идущих от щели, после преломления в линзе становится параллельным и попадает на призму. Преломляясь в призме, этот параллельный пучок света разлагается на пучки света с разной длиной волны, которые в дальнейшем собираются второй линзой, называемой камерным объективом, в ее фокальной плоскости. Таким образом, вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждому узкому спектральному интервалу соответствует свое изображение, а совокупность этих изображений и представляет собой спектр.
Осталось рассмотреть еще один вопрос, который касается распределения энергии в спектре. Как известно, ни один из источников света не дает полностью монохроматический свет, т.е. свет, имеющий строго определенную длину волны. В этом убеждают и опыты по дисперсии, интерференции и дифракции света.
Энергия, которую несет в себе свет, определенным образом распределена по всем длинам волн, которые входят в состав светового пучка. Как известно, интенсивность электромагнитного излучения, а, следовательно, и света, определяется энергией, приходящейся на все частоты или длины волн. Так вот, для характеристики распределения излучения по частотам, требовалось ввести новую физическую величину — интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину называют спектральной плотностью потока излучения и обозначают ее как 
. Тогда произведение спектральной плотности потока излучения на небольшой спектральный интервал будет равно интенсивности излучения, приходящейся на этот небольшой спектральный интервал 
. Если же просуммировать подобные выражения по всем частотам спектра, то получим плотность или интенсивность всего потока излучения.
– Существует два вида спектра — это спектр испускания (т.е. спектр, получаемый при разложении света, излученного самосветящимися телами) и спектр поглощения, который получают, пропуская свет от источника со сплошным спектром, через вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.
– Законом обратимости спектральных линий Кирхгофа, согласно которому атомы менее нагретого вещества могут поглощать только те частоты, которые они могут испускать в других условиях.
– Разделены спектры испускания на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта.
– Сплошные или непрерывные спектры, которые излучаются раскаленными твердыми и жидкими веществами, а также газами под большим давлением.
– Линейчатые спектры, которые получают от светящихся атомарных газов.
– Полосатые спектры, которые излучаются молекулярным газом.
– Существует относительно простой и высокоточный метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам, который называется спектральным анализом.
– Познакомились с устройством и принципом действия простейшего спектрального аппарата — спектрографа.
– Введена в рассмотрение новая физическая величина — спектральную плотность потока излучения, которая характеризует интенсивность электромагнитного излучения, приходящуюся на единичный интервал частот.