Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego

Transkrypt

1 Politechnika Łódzka FTIMS Kierunek: Informatyka rok akademicki: 2008/2009 sem. 2. grupa II Termin: 19 V 2009 Nr. ćwiczenia: 413 Temat ćwiczenia: Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego Nr. studenta: 5 Nr. albumu: Nazwisko i imię: Moroz Michał Ocena z kolokwium:... Ocena z raportu:... Nr. studenta: 6 Nr. albumu: Nazwisko i imię: Tarasiuk Paweł Ocena z kolokwium:... Ocena z raportu:... Data wykonania ćw.: 19 V 2009 Data oddania raportu: 26 V 2009 Uwagi:

2 Streszczenie Sprawozdanie z ćwiczenia w którym za pomocą spektrometru siatkowego dokonano obserwacji widm emisyjnych różnych gazów i mieszanin oraz wyznaczenia długości fali świetlnej dla światła widzialnego o różnych barwach. Sprawozdanie zawiera wyjaśnienie zasady pomiaru, tabelę z wyznaczonymi wartościami, obliczenia oraz wnioski. Opis metody W wykorzystanym spektrometrze siatkowym wzbudzano różne gazy, tak aby emitowane przez nie światło przechodziło przez kolimator. Wychodzące z kolimatora, w przybliżeniu równoległe promienie światła padały na siatkę dyfrakcyjną, po przejściu przez którą można obserwować widmo emisyjne, w którym wzmocnienia światła o różnych długościach fali występują pod różnymi kątami. Wzmocnienia te można obserwować za pomocą specjalnej lunetki obracalnej wokół siatki, w której widać je jako prążki o różnych barwach. Dla każdej barwy można zaobserwować kilka rzędów prążków dyfrakcyjnych - w przeprowadzonym doświadczeniu możliwe było zbadanie pierwszego i drugiego rzędu widma. Wyraźnie widoczny był także rząd zerowy, jako jeden jasny prążek odpowiadający tej barwie lampy, którą było widać bez żadnych dodatkowych urządzeń. Wykorzystana została siatka dyfrakcyjna mająca 180 rys na milimetr. Stała siatki wynosiła zatem c = mm. Długość fali odpowiadającej prążkowi o danej barwie można wyznaczyć ze wzoru kλ = c sin α, dla kąta ugięcia α i rzędu widma k. Zważywszy na symetrię powstającego widma emisyjnego, w celu pomiaru kąta ugięcia fali świetlnej o danej barwie po przejściu przez siatkę dyfrakcyjną praktyczne było wyznaczanie kąta rozwarcia między odpowiadającymi sobie prążkami, z dwóch różnych stron od prążka zerowego. Odczyt zmierzonej wartości kąta za pomocą specjalnej skali odbywał się na zasadzie działania suwmiarki, dzięki czemu dokonywany był z dokładnością do pięciu minut kątowych. Wyniki pomiarów i obliczenia Pomiary zostały wykonane dla lampy neonowej oraz rtęciowej. Spośród kilkudziesięciu prążków dla lampy neonowej, do pomiaru wybrano po kilka najwyraźniejszych dla każdego rzędu widma. Uzyskane wyniki wraz ze zgodnymi z instrukcją obliczeniami (kąta ugięcia α, dyspersji kątowej siatki D, oraz błędów na tych wielkościach) zostały umieszczone we właściwych tabelach. Michał Moroz i Paweł Tarasiuk, ćw / 5

3 Dla widma pierwszego rzędu przy wykorzystaniu lampy neonowej: Zielony , 69 0, 02 Żółty , 99 0, 03 Złoty , 11 0, 03 Miedziany , 26 0, 03 Pomarańczowy , 29 0, 03 Czerwony , 34 0, 03 Karmazynowy , 59 0, 04 Amarantowy , 75 0, 04 Dla widma drugiego rzędu przy wykorzystaniu lampy neonowej: Żółty , 53 0, 12 Pomarańczowy , 85 0, 13 Czerwony , 62 0, 13 Karmazynowy , 09 0, 13 Amarantowy , 77 0, 14 Różowy , 63 0, 14 Dla widma pierwszego rzędu przy wykorzystaniu lampy rtęciowej: Fioletowy , 65 0, 02 Zielony , 02 0, 03 Oliwkowy , 13 0, 03 Oraz dla widma drugiego rzędu przy wykorzystaniu lampy rtęciowej: Fioletowy , 23 0, 09 Zielony , 33 0, 12 Oliwkowy , 35 0, 12 Na podstawie otrzymanych danych można sporządzić wykresy zależności D(α) dla pierwszego oraz drugiego widma. Różne lampy pozwalają po prostu badać różne podzbiory światła białego i nie ma żadnych różnic między zjawiskami jakie dla nich zachodzą - dlatego wyniki dla różnych lamp można zamieszczać na wspólnym wykresie. Michał Moroz i Paweł Tarasiuk, ćw / 5

4 Poniższy wykres przedstawia zależność dla widma pierwszego rzędu: Natomiast drugi wykres - dla widma drugiego rzędu: Michał Moroz i Paweł Tarasiuk, ćw / 5

5 Łatwo zauważyć, że dyspersja kątowa siatki rośnie wraz z kątem ugięcia wiązki światła. Ponadto wartość dyspersji dla widma drugiego rzędu jest znacznie większa, co można zinterpretować w ten sposób, że dla pewnego przyrostu długości fali świetlnej przyrost kąta ugięcia jest znacznie większy. Jest to potwierdzone tym, że odległości między kolejnymi prążkami dla widma drugiego rzędu były znacząco większe, niż dla pierwszego. Wnioski Uzyskane wyniki są zupełnie prawdopodobne, a wyznaczone długości fal są zgodne z danymi tablicowymi. Tylko jeden wynik nieznacznie przekracza 750 nm, od której fale elektromagnetyczne określane są raczej jako bliska podczerwień niż jako światło widzialne. Pewną wątpliwość mogą budzić wyznaczone zgodnie ze wzorem błędy zawarte w tabeli - błąd względny na długości fali świetlnej wynosi często poniżej 1%. Nie posiadamy dokładnych danych na temat wzorcowej analizy widma emisyjnego gazów z badanych lamp, jednakże podejrzewamy że niepewność była w istocie nieco większa niż pokazuje to tabela (czyli poziom ufności wskazanych zakresów nie jest zadowalający). Analogicznie - pewną wątpliwość budzą małe błędy na wyznaczonej dyspersji, obliczone zgodnie z zawartymi w instrukcji wzorami. Należy zwrócić uwagę na następujące źródła niedoskonałości, mogące wpłynąć na uzyskane wyniki: 1. Marker pośrodku lunetki, który miał się pokrywać z badanym prążkiem, był znacząco odchylony od pionu. 2. Dokładność ustawienia lunetki pod odpowiednim kątem była ograniczona, a sama grubość prążków była niezerowa. 3. Niektóre istotne dla pomiaru prążki (np. zielony dla neonu) miały małą jasność. Bibliografia Praca zbiorowa pod red. Grzegorza Derfla, Instrukcje do ćwiczeń i Pracowni Fizycznej, Instytut Fizyki Politechniki Łódzkiej, Łódź 1998 Bogdan Żółtowski, Wprowadzenie do zajęć laboratoryjnych z fizyki, Skrypt Politechniki Łódzkiej, Łódź 2002 David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki T. 4.,Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005 Michał Moroz i Paweł Tarasiuk, ćw / 5