Измерение длин волн спектральных линий атома натрия в видимой области спектра

Для измерений длин волн  линий излучения натрия в данной работе используется универсальный монохроматор УМ-2. Его устройство и правила работы с ним приведены в Прил. 3. Выполните градуировку монохроматора УМ-2 с помощью неоновой и ртутной ламп. Постройте примерный градуировочный график  (с помощью одной из программ научной графики, см. Прил. 5). Постройте точный градуировочный график  с помощью программы splines.exe (см. Прил. 4).

Мощные дуговые натриевые лампы ДНаТ-70,-150,…400 используют для уличного и производственного освещения. При высоком давлении и температуре дугового разряда в спектре излучения таких ламп помимо наиболее интенсивной желтой линии присутствуют и яркие линии резкой и диффузной серий. Это делает излучение лампы по спектральному составу близким к дневному освещению. Внутри баллона, заполненного аргоном или неоном, может присутствовать и небольшое количество ртути. В данной работе изучается спектр натриевой лампы ДНаТ-70, установленной в металлическом кожухе на рейтере. На верхней панели блока питания установлен регулятор напряжения, передней панели блока питания имеется выключатель питания и кнопка “ПУСК” для зажигания разряда. Для зажигания лампы на ее блок питания с помощью регулятора нужно подать напряжение приблизительно равное 200 В. После зажигания разряда напряжение следует понизить до 100 В. В случае гашения разряда процедуру включения лампы нужно повторить.

1. Микровинтом раскрытия щели монохроматора задайте ширину щели 0.01 мм. Установите рейтер с лампой на расстоянии 20-25 см от приемного окна монохроматора. Установите регулятор напряжения блока питания лампы в положение “0”, выключатель – в положение “Выкл”. Подключите блок питания лампы к сети напряжением ~220 и включите лампу.

2. Установите регулятором напряжения напряжение питания (по вольтметру) 220 В и на короткое время нажмите кнопку поджога для зажигания разряда. Сначала разряд в лампе происходит в так называемом “буферном” газе – неоне или аргоне, при этом лампа излучает соответственно слабое желто-оранжевое или голубовато-белое свечение. Пронаблюдайте в монохроматор спектр и определите, какому газу – неону или аргону он принадлежит. Внесите в отчет вид газа. Дайте лампе прогреться в течение 3-5 мин. По мере испарения натрия цвет разряда будет меняться на желтый. Затем регулятором понизьте напряжение до 110-120 В.

3. Найдите в спектре линии ртути и внесите в отчет список наблюдаемых линий ртути. Чем ниже напряжение питания, тем более заметны ртутные линии (две желтых, зеленая и сине-фиолетовая). По мере прогрева лампы и повышения концентрации паров натрия в спектре остаются только линии натрия. В интервале от красного до зеленого участков спектра они выглядят как пары близко расположенных линий (дублетов), в синей и фиолетовой частях спектра дублетная структура видна плохо.

4. Наблюдение спектральных линий начните с красной области. Вращая барабан монохроматора, совмещайте линии (центры дублетов) с указателем монохроматора и записывайте в табл. 6.4 цвет линии, угол поворота барабана , примерную интенсивность линии по 10-бальной шкале (за 10 принять интенсивность желтой линии натрия) и различимость дублета. При переходе от красной области к фиолетовой следует подстраивать резкость линий с помощью микровинта, перемещающего коллиматорный объектив. Резкость указателя в поле зрения окуляра регулируется кольцом окуляра. При необходимости подсвечивайте указатель. В фиолетовой части спектра видимость линий ухудшается. Для улучшения видимости линий увеличивайте ширину щели и совмещайте с указателем центр уширенной из-за отсутствия резкости линии. Пройдите весь спектр до его фиолетовой части, результаты внесите в табл. 6.4.

4. Наведите указатель монохроматора на желтый дублет. Увеличьте напряжение, подаваемое на лампу, до 170-190 В. Пронаблюдайте за изменением спектра со временем. По мере нарастания дугового разряда ширина желтой линии излучения увеличивается. Затем происходит так называемое явление обращения линии натрия. В центре широкой желтой линии возникает узкая черная линия поглощения. Атомы натрия находящиеся в основном состоянии вдали от области дугового разряда вблизи стенок разрядной трубки резонансно поглощают излучение атомов натрия, идущее из области разряда. Это доказывает, что линия принадлежит главной серии. Совместите линию (центр дублета) с указателем, угол поворота барабана монохроматора  внесите его в табл. 6.4. Измерьте также углы поворота барабана для левого и правого края уширенной желтой линии. Закончив измерения, уменьшите напряжение, подаваемое на лампу, до 0 и выключите лампу.

Таблица 6.4.

№ линии	Цвет линии	Отн. интенсивн.	Дублетность	Угол	Измерения		Рис. 2.1б, плакат		Серия натрия или линия ртути	n
					, нм	, эВ	, нм	, эВ
Напряжение питания лампы 110-120 В
1	красный
2	желтый								главная	3
…	…
Напряжение питания лампы 170-190 В
желтая линия	линия поглоще-ния								главная	3
	левый край
	правый край

5. По примерному градуировочному графику  (см. рис. П4.2 в Прил. 4) определите длину волны трех-четырех измеренных линий натрия, внесите результаты в табл. 6.4.

6. С помощью программы (исполняемого файла) splines.exe, выполняющей сглаживание градуировочных данных сплайнами (см. Прил. 5), определите более точные значения длины волн всех измеренных линий натрия внесите результаты в табл. 6.4. Предварительно подберите значение параметра , при котором градуировочный график  будет достаточно гладкой линией. Сравните полученные значения со значениями длин волн, указанными на рис. 6.1б. Внесите в табл. 6.4 с рис. 6.1б, ближайшие к измеренным длинам волн и определите предварительные названия серий, которым принадлежат линии. Если среди спектральных линий встретятся линии ртути, отметьте их принадлежность в графе “ Серия натрия или линия ртути ”.

7. Вычислите по формуле (6.14) энергии фотонов  в эВ и внесите в табл. 6.4.