Aparate pentru observații spectrale
Dacă extindeți lumina soarelui într-un spectru, atunci devine posibil să obțineți mai multe informații de la acesta.
Să luăm în considerare, cu ajutorul căror dispozitive este posibil să construim spectrul soarelui.
De la curs de fizica școală cunoscut faptul că într-un fascicul de raze de lumină albă de diferite lungimi de undă sunt în aceeași direcție. În cazul în care calea fasciculului pentru a plasa elementul de dispersie, grinzile de diferite lungimi de undă sunt moduri diferite de a se abate de la direcția inițială. Toate instrumentele spectroscopice se bazează pe acest principiu. Deoarece elementele de dispersie, prismele și grilajele de difracție sunt cele mai des folosite. În Fig. 10 arată cum razele de lumină trec prin prisma. În stânga, un fascicul de lumină albă cade pe prisma. Marginea prismei se numește marginea refractivă în desenul nostru. Un fascicul de lumina care cade pe prisma, intra intr-un mediu cu un alt indice de refracție și își modifică coeficientul de direcție. Deoarece indicele de refracție n depinde de lungimea de undă, devierea fasciculului în unghiul prismei vor fi diferite pentru diferite lungimi de undă, prisma va lumina sub forma unui set nesfârșit de fascicule luminoase de diferite lungimi de undă, r. E. culori diferite, strâns distanțate, și în loc de un fascicul de alb a intrat prisma vom ajunge la marginea perpendicular pe dungi refracting prismă colorate, în care schimbarea culorii de la roșu la violet.
Fig. 10. Trecerea luminii printr-o prismă
Dar o prismă nu ne permite să obținem un spectru calitativ al Soarelui. Acest lucru necesită un spectrograf, care, în plus față de elementul de dispersie există un decalaj, colimatorul și aparatul de fotografiat. Schema optică a spectrografului cu prisma este prezentată în Fig. 11. În partea stângă a figurii prezintă fanta de intrare a spectrograf, perpendicular pe planul desenului. Telescopul trebuie să fie localizat în planul focal, și este construită imaginea solară. Fanta este sursa de lumina pentru spectrograf. Se merge dintr-un unghi al conului de lumină albă p este determinat telescop relativ diafragma D / F, unde D - diametrul lentilei sau a oglinzii principale, o F distanta focala echivalenta a telescopului. Obiectivul L, în centrul căruia există un gol, se numește colimator. După colimator, avem un fascicul paralel de lumină albă care se află pe prisma. Așa cum am spus mai sus, să fie eliberat din sistemul prismă de paralela monocromatice (m. E. O singură lungime de undă), grinzi în diferite grade deviat de la direcția inițială fasciculului alb. Fiecare dintre aceste grinzi cade pe lentila L „- cameră, sub un unghi diferit, iar acestea vor fi colectate în această lentilă camera în planul său focal un spectru de benzi perpendiculare margine refracting. Strict vorbind, în planul focal al camerei, avem o serie continuă de imagini monocromatice ale fantei de intrare a spectrograf. Partea roșie a spectrului este mai aproape de direcția fasciculului incident și violet - mai departe de ea. Lungimea benzilor obținute spectru depinde de unghiul de refracție al prismei, indicele de refracție al materialului din care este confecționat prisma, iar lungimea focală a lentilei camerei L“. În Fig. 11 este notat cu f '.
Fig. 11. Diagrama unui spectrograf al prismei
O caracteristică foarte importantă asociată cu lungimea spectrului este dispersia spectrografului. Distingeți între dispersia unghiulară și cea liniară. Dispersia unghiulară a spectrografului este derivatul unghiului de deformare a fasciculului în prisma de-a lungul lungimii de undă. De obicei, pentru d # 955; ia 1 # 197; = 10-8 cm (angstromuri). Apoi, dispersia unghiulară este modificarea unghiului de deformare a razei când lungimea de undă este modificată cu 1 # 197; (d # 949; în radiani). Dispersia liniară este definită în planul focal al camerei ca distanța dintre liniile spectrului ale căror lungimi de undă diferă cu 1 # 197;
Formula pentru determinarea dispersiei liniare a unui spectrograf de prisme este după cum urmează:
aici # 945; - unghiul de refracție al prismei, n este indicele de refracție al sticlei din care se face prisma, # 955; - lungimea de undă, C și # 955; 0 - constante. Ele depind de gradul de sticlă.
Din această formulă se observă că dispersia prismei este invers proporțională cu lungimea de undă. Rezultă că partea roșie a spectrului va fi comprimată, iar partea albastră este întinsă.
Elementul de dispersie poate fi, de asemenea, o rețea de difracție. De obicei, este o placă groasă plan paralel cu un strat de vid depus de aluminiu pe o suprafață. Pe această suprafață un tăietor special cu diamant este marcat cu caneluri paralele - marcajele de ștanțare. Numărul de curse pe diferite grătare variază - de la 50 la 1200 pe milimetru. Expansiunea in spectrul luminii incidente pe un grilaj se produce sub acțiunea celor două legi ale fizicii: difracția luminii asupra deviației (un accident vascular cerebral, în acest caz) și interferența razelor reflectate de fiecare accident vascular cerebral. Nu vom locui aici, pe grilajul teoriei descrise în multe manuale de fizică. Am arătat în Fig. 12, direcția în care grinzile sunt reflectate de culori diferite atunci când incident de lumină albă pe grilajul. În cazul în care zăbrele sub un anumit unghi de fasciculul incident de lumină albă în direcția fasciculului reflectat pe legea obișnuită a opticii geometrice, de asemenea, va lumina albă, numită ordinul zero.
Fig. 12. Reflectarea luminii de la o rețea de difracție
Această lumină este reflectată de decalajul oglinzii dintre barele grilajului. Lumina reflectată de curse va da spectre la dreapta și la stânga din ordinea zero. În Fig. 12 arată 2 astfel de spectre sau ordine pe fiecare parte. De fapt, ele pot fi mult mai multe. Spre deosebire de spectrul obținut cu o prismă, partea purpurie a spectrului deviază cel mai puțin din direcția fasciculului alb și mai roșu. O caracteristică a spectrului este că unghiul dintre razele a două lungimi de undă fixe crește cu numărul de ordine. În Fig. 12 că unghiul dintre lumina roșie și violet în a doua ordine este de aproximativ 2 ori mai mare decât în prima ordine. O altă caracteristică importantă a spectrului este suprapunerea ordinelor. În aceeași direcție, razele aparținând ordinelor diferite și având lungimi de undă diferite. Modelul acestei suprapuneri este exprimat prin următoarea formulă simplă:
k # 955; k = const (constant, adică o valoare constantă).
Aici k este numărul de ordine, K este lungimea de undă a radiației în ordinul k. Să explicăm această formulă folosind exemplul din Fig. 12. Să presupunem că în direcția lui A în prima ordine a rețelei (k = 1) există o lumină roșie a lungimii de undă # 955; 1 = 6500 # 197; Apoi, prin formula găsim valoarea constantei const = 1 * 6500 = 6500. Înlocuim k = 2 în formula inițială, găsim, care este egală cu # 955; 2.
adică, în direcția A, lumina vine din ordinul doi, cu o lungime de undă de 3250 # 197; Aceasta este o lumină ultravioletă, la care ochiul nostru este insensibil, astfel încât să îl putem detecta numai cu ajutorul unor receptoare speciale de lumină.
Dacă vrem să observăm în ordinea a doua și superioară a rețelei, atunci radiația cu diferite lungimi de undă din gama optică, adică vizibile ochiului uman, va fi suprapusă. Deci, dacă în ordinul II # 955; 2 = 6500 # 29; k = 2, apoi în aceeași direcție față de ordinul III există o radiație care este deja vizibilă pentru ochi. Pentru a separa radiațiile de ordine diferite, se folosesc de obicei filtre din sticlă. În cazul nostru, dacă vrem să observăm regiunea roșie a spectrului în ordinea a doua, trebuie să plasăm un filtru roșu sau portocaliu în fața fantei și, de preferință, după el. El nu va pierde lumina albastră din a doua ordine (# 955; = 4333 # 197;). Dacă este necesar să observați regiunea albastră
în a treia ordine, urmează filtrul albastru pentru a "tăia" partea roșie a spectrului. Caracteristicile filtrelor de sticlă vor fi discutate mai jos.
Spectrograful de difracție diferă puțin de spectrograful prismei din schema sa. Ar trebui să existe aceleași elemente de bază ale slotului, colimatorului, camerei. Dar, deoarece grilele moderne sunt în principal reflectorizante, aranjamentul acestor elemente poate fi diferit. În Fig. 13 prezintă una dintre schemele optice posibile ale unui spectrograf cu o grătare. Aici, colimatorul și camera sunt oglinzi sferice concave. Distanța focală a colimatorului f a camerei f '. O altă schemă (Figura 14) utilizează o lentilă ca un colimator și o cameră.
Fig. 13. Diagrama spectrografului de difracție cu colimator oglindă și camera: 1 - fanta; 2 - colimator; 3 - grila de difracție; 4 - camera; 5 este planul focal în care este construit spectrul
Fig. 14. Schema de spectrograf de autocolimare: 1 - fanta; 2 - un obiectiv care servește ca un colimator și o cameră: 3 - grila de difracție; 4 este planul focal în care este construit spectrul
O caracteristică importantă a spectrografului de difracție este dispersia sa. Pentru unghiuri mici de incidență a luminii pe o latură, aceasta este exprimată prin formula
Aici, k - numărul de ordine al spectrului, cu - numărul de curse în rețeaua de 1 mm, f - distanța focală a camerei în aceleași unități ca dl la distanță, în planul focal al razelor diferite ale camerei, în lungime de undă la d # 955; (în angstromuri). De obicei, luați d # 955; = l # 197;
De exemplu, din această formulă se calculează varianța în prima ordine a spectrografului cu o latură având 600 de curse per milimetru. Distanța focală a camerei spectrografice este de 7 m = 7000 mm. Avem
Adesea folosiți dispersia inversă, în cazul nostru
Dacă vom compara expresia unei prisme și un spectrografe de difracție, principala diferență dintre ele este faptul că, în cazul unei dispersii prismă spectrograf depinde de lungimea de undă # 955; și nu depinde de difracție. În ea, varianța crește atunci când trece la ordinele superioare (proporționale cu ordinea k).
Să ne ocupăm de anumite trăsături ale spectrografului care sunt independente de alegerea elementului dispersant. Alegerea unei scheme de spectrograf, dimensiunea caracteristică depinde în mare măsură de caracteristicile telescopului, a cărui ieșire va fi setat spectrograf. După cum spun astronomii, spectrograful trebuie să fie coordonat cu telescopul pentru diafragmă. Să explicăm acest lucru în Fig. 15. stânga ilustrat convențional lentilă telescop al cărui diametru este D, iar lungimea focala F. spectrograf este o fantă în planul focal al telescopului, care se află la dreapta spectrograf (figura arată numai colimatorul). Incidenta luminoasa a fantei spectrografului este un con cu unghiul solutiei D / F si varful O pe fanta. În mod natural, în spectrograful din fantă, lumina se va propaga în același con. ar trebui să aleagă dimensiunea optimă a colimatorului astfel încât întregul fascicul trece prin fantă și trecut printr-un colimator (sau reflectată de aceasta, în cazul unei oglinzi sferice). Această condiție este echivalentă cu D / F = d / f, t. E. Găurile relative (și diafragma) din telescop și colimator trebuie să fie egale.
Fig. 15. Alinierea telescopului și a spectrografului prin diafragmă
Să vedem acum ce raportul dintre caracteristicile obiectivului (sau oglinzilor) al colimatorului și al camerei poate fi. Deoarece, de fapt, spectrul unei secvențe de imagini monocromatice a fantei de intrare care construiesc camera si colimatorul, fantelor dimensiunea imaginii monocromatica depinde de raportul dintre lungimile focale ale colimatorului (f) și camera (f „). Dacă lățimea fantei este a, atunci va fi lățimea imaginii sale monocrome
Pentru s mare, se va suprapune puternic imaginile monocromatice vecine, adică puritatea spectrului scade. Reduce s prin scăderea f 'sau creșterea f. Deasupra am prezentat o dispersie cu formula din care a fost văzut că, odată cu scăderea distanței focale a camerei f „va scădea variație. Prin urmare, pentru a mări puritatea spectrului, este mai bine să alegeți o lentilă (sau o oglindă) a unui colimator cu un f f. În ceea ce privește lățimea spațiului a, alegerea sa nu este arbitrară. Din formula care tocmai a fost citată este clar că cu cât este mai mare decalajul, cu atât este mai pură puritatea spectrului. Dar cu o scădere a lățimii fantei, mai puțină lumină trece prin spectrograf. Valoarea optimă a lățimii fantei, numită lățimea normală a fantei, este dată de
unde # 955; - lungimea de undă în aceleași unități ca lățimea fantei # 916; F / D este cea mai mică dintre cele două focare relative ale telescopului și colimatorului, dacă acestea nu sunt egale. În practică, se folosește lățimea fantei, determinată de această formulă sau oarecum mai mare (până la 2 # 916; IN).
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: