6897

Исследование спектров поглощения ипропускания световых волн

Лабораторная работа

Физика

Исследование спектров поглощения ипропускания световых волн Цель работы: освоение методов получения спектров пропускания, ознакомление с параметрами фильтров и с принципом работы монохроматора. Приборы и принадлежности: монохроматор МУМ-01, блок пит...

Русский

2013-01-08

106 KB

15 чел.

Исследование спектров поглощения ипропускания световых волн

Цель работы: освоение методов получения спектров пропускания, ознакомление с параметрами фильтров и с принципом работы монохроматора.

Приборы и принадлежности: монохроматор МУМ-01, блок питания и обработки сигналов, цифровой вольтметр, исследуемые образцы (фильтры).

1. ТЕОРИЯ МЕТОДА

При распространении в веществе электромагнитные волны взаимодействуют с его молекулами, атомами и электронами, которые можно рассматривать как колебательные системы. Электромагнитные волны вызывают вынужденные колебания этих систем, причем вынуждающая сила пропорциональна напряжённости электрического поля волны, изменяющейся во времени по гармоническому закону. Поскольку на возбуждение колебаний требуется энергия, источником которой является волна, то энергия самой волны уменьшается на величину, отдаваемую колебательной системе, т. е. среде. В результате часть энергии волны поглощается средой и идёт на увеличение её внутренней энергии.

Если в результате взаимодействия волны с отдельными-атомами среды происходит возбуждение последних, т. е. переход их электронов с одного стационарного уровня на другой, с последующим испусканием возбуждёнными атомами поглощённой ими энергии в виде фотонов, то энергия исходной волны частично преобразуется ещё и в энергию вторичного излучения. При этом к первичной электромагнитной волне добавляется излучение самой среды, называемое фотолюминесценцией. Таким образом, поглощение света – это явление уменьшения энергии световых волн при их распространении в веществе вследствие преобразования части этой энергии в другие виды: внутреннюю и энергию вторичного излучения.

Энергия вынужденных колебаний любой системы зависит от соотношения между собственной частотой колебательной системы и частотой вынуждающей силы: она возрастает по мере уменьшения разницы между упомянутыми частотами. Поэтому и потери энергии световой волны из-за взаимодействия с веществом также зависят от частоты (или длины) волны: эти потери максимальны вблизи собственных частот и уменьшаются по мере удаления от них.

Поглощение веществом электромагнитной энергии в слое бесконечно малой толщины dx приводит к уменьшению интенсивности света I на величину dI, причем относительное уменьшение интенсивности dI/I пропорционально толщине поглощающего слоя:

 .  (1)

Знак минус означает убывание интенсивности с ростом толщины поглощающего слоя вещества. Коэффициент пропорциональности α зависит от природы вещества и частоты (длины) волны падающего излучения и называется коэффициентом поглощения среды. Зависимость величины коэффициента поглощения от длины волны (частоты) называется спектром поглощения.

Пока свойства среды не изменяются под воздействием излучения, значение α не зависит от интенсивности и всегда положительно. При большой интенсивности излучения, например, внутри источников лазерного излучения, коэффициент α может уменьшаться и даже становиться отрицательным. В этом случае среда сама оказывается источником излучения и называется оптически активной.

Если α не зависит от I, то решение уравнения (1) имеет вид

 .  (2)

Соотношение (2) называется законом Бугера. Здесь I0 - интенсивность падающего на вещество света, I – интенсивность света на глубине х от поверхности тела, е = 2,718 – основание натуральных логарифмов. При х = 1/α интенсивность , т. е. убывает в е раз. Таким образом, коэффициент поглощения α - это величина, обратная толщине слоя вещества, при прохождении которого свет ослабляется в 2,718 раз.

Если известны толщина l поглощающей пластины (х = l) и отношение I/I0, то можно найти величину α. Логарифмируя выражение (2), получим

 .  (3)

Для определения отношения I/I0 на пути параллельного светового пучка ставят плоскопараллельную пластину и измеряют интенсивность I' света с пластиной и без нее, т.е. I0. При этом следует учитывать, что потеря интенсивности связана не только с поглощением, но и с отражением света от границ раздела воздух-среда. Поэтому I' отличается от I.

Отношение I/I0 = Т называется коэффициентом пропускания среды заданной толщины, а зависимость коэффициента пропускания среды от длины волны (частоты) называется спектром пропускания. На каждой границе раздела в условиях нормального падения света при отражении теряется доля излучения, равная от первоначальной интенсивности. Здесь n – показатель преломления среды относительно воздуха. Поскольку доля света, прошедшего через пластину после каждого отражения, составляет , то

 ,  (4)

так как имеются две границы раздела, на которых следует учитывать потери на отражение: на входе пучка в пластину и на его выходе.

Если средой является стекло, то для оценки потерь на отражение можно принять          n = 1,5 для всех длин волн. Тогда из соотношения (4) следует, что I' = 0,922I. Учитывая, что I/I0 = TI/I' = T/0,922 и ln0,922 = – 0,082, выражение (3) можно записать, используя коэффициент пропускания Т:

.  (5)

Обычно источники излучения испускают свет в широком диапазоне длин волн или частот. Иногда для изучения спектральных свойств материалов их необходимо облучать светом определенной длины волны. Прибор для получения и регистрации такого излучения называется монохроматором. Монохроматор содержит устройство для разложения света в спектр, которое осуществляет пространственное разделение излучения разных длин волн. Излучение нужной длины волны в узком спектральном интервале Δλ, называемое монохроматическим, поступает на выход прибора и может быть использовано для спектральных исследований.

В данной лабораторной работе таким прибором является монохроматор МУМ-01, в котором в качестве устройства для разложения света в спектр применяется отражательная дифракционная решётка. Она представляет собой зеркало, на поверхности которого создана одномерная периодическая структура, профиль которой показан на рис. 1. Период этой структуры называется периодом (постоянной) решётки d.

Действие дифракционных решёток (бывают решётки отражательные и прозрачные) основано на дифракции света. Дифракцией волн, в частности, световых, называется явление отгибания волнами препятствий. Это явление заметно выражено, если размеры препятствий (или отверстий, если свет проходит через них) порядка длины волны света или меньше. Поэтому период решётки d не должен заметно превышать длину световых волн. Дифракция приводит к отклонению от законов геометрической оптики. Согласно геометрической оптике угол отражения равен углу падения, т. е. на рис. 1 должно было бы быть φ = i. Из-за дифракции свет отражается от решётки в разных направлениях. Геометрический расчёт показывает, что между соседними лучами, изображёнными на рис. 1, после отражения возникает разность хода Δ = d(sinφ – sini). Если с помощью линзы собрать параллельные лучи в одну точку, то возникнет интерференция, т. е. наложение когерентных световых волн, приводящее либо к усилению света, либо к его ослаблению. Усиление будет происходить в том случае, если разность хода равна целому числу длин волн λ, т. е., если она равна kλ, где k = 0, ±1, ±2, ... Если приравнять указанное значение разности хода Δ величине kλ, то получим

.  (6)

Эта формула определяет те направления (значения угла φ), при которых в результате дифракции будет наблюдаться усиление отраженного света.

Из формулы (6) следует, что угол φ, при котором достигается максимум интенсивности света при отражении от периодической структуры, зависит от длины волны. Это свойство дифракционной решётки и позволяет использовать её в качестве устройства для разложения света в спектр. Выделяя из спектра определённый участок длин волн λ ± Δλ, на выходе прибора получают монохроматическое излучение требуемой длины волны.

Кроме монохроматоров, которые позволяют "вырезать" из спектра излучения достаточно узкую область, применяются более простые устройства – фильтры, пропускающие сравнительно широкий участок спектра. По характеристикам пропускания фильтры делятся на полосовые, пропускающие излучение в сравнительно узком диапазоне длин волн, рис. 2а, и отрезающие, пропускающие волны, длиннее некоторого граничного значения λ0, рис. 2б.

Параметрами полосового фильтра являются: прозрачность в максимуме пропускания Tmax, рабочая длина волны λ0, ширина полосы пропускания δλ, на половине максимальной прозрачности, прозрачность за пределами полосы (фон) T0 и контрастность Tmax/T0.

Параметрами отрезающего фильтра являются длина волны начала перехода от непрозрачности к прозрачности λ0 и крутизна спектральной характеристики КT/Δλ.

Оптическая схема монохроматора МУМ-01 представлена на рис. 3. Все детали монохроматора располагаются в закрытом корпусе, предохраняющем их от внешнего излучения. С одной стороны к корпусу прикреплен тубус с кюветным отделением и источником излучения 1, а с противоположной – приемник излучения 9. С той стороны, где располагается дифракционная решётка 6, из корпуса выступает ручка поворотного механизма 11, а рядом с ней – окно указателя длин волн 12.

Свет от источника 1 с помощью системы линз 2 сначала преобразуется в параллельный пучок, а затем в сходящийся, который фокусируется в плоскости входной щели 4. В той части, где свет распространяется в виде параллельного пучка, находится кюветное отделение, служащее для размещения исследуемых образцов 3. От входной щели свет с помощью зеркала 5 направляется на отражательную дифракционную решётку 6, где происходит его разложение в спектр. Отразившись от дифракционной решётки, свет с помощью зеркала 7 направляется на выходную щель 8. При дифракции отраженные волны распространяются в самых разных направлениях относительно поверхности решётки; свет с заданной длиной волны будет виден только в тех направлениях, для которых выполняется условие (6) максимума интенсивности при дифракции. Чтобы излучение заданной длины волны попадало на выходную щель, нужное положение решётки относительно направления на щель устанавливается с помощью поворотного механизма 11. С ним связан указатель длин волн 12. Длины волн даны в нанометрах (нм).

Поверхность решётки выполнена в виде вогнутого зеркала, поэтому наряду с разложением в спектр происходит фокусировка излучения в плоскости выходной щели 8, за которой находится фотодиод приёмного узла 9. Сигнал от фотодиода, пропорциональный интенсивности монохроматического излучения, поступает на блок обработки сигналов 10, после которого измеряется цифровым вольтметром 13.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.  Включите источник питания и вольтметр и подождите 5 минут для стабилизации теплового режима приемника излучения. Установите на вольтметре предел измерений 20 В.

2.  Произведите калибровку оптической системы. Для этого при пустом тубусе кюветного отделения снимите зависимость показаний вольтметра U0 длины волны λ, в диапазоне длин волн от 400 нм до 750 нм с шагом 20 нм. При необходимости переключайте пределы измерения вольтметра (20 В, 2 В, 200 мВ). Результаты калибровки занесите в первую и вторую строки табл. 1.

3.  Поместите в тубус кюветного отделения предложенный преподавателем или лаборантом фильтр и снимите зависимость показаний вольтметра U1 от λ, в том же диапазоне и с тем же шагом, что указаны в п. 2. Результаты измерений занесите в третью строку табл. 1.

Внимание! Приёмник излучения и блок обработки сигнала чувствительны к воздействию сильного переменного магнитного поля. Поэтому не рекомендуется располагать поблизости от него радиопередающие устройства, в частности, мобильные телефоны; это может вызвать ошибки в измерениях.


Таблица 1

λ, нм

400

420

440

460

480

500

520

540

560

U0, В

113

182

203

518

987

1013

833

587

424

U1, В

5

7

123

436

876

910

750

532

379

T

0,044

0,038

0,606

0,842

0,888

0,898

0,900

0,906

0,894

λ, нм

580

600

620

640

660

680

700

720

750

U0, В

337

283

160

93

58

35

24

15

9

U1, В

303

211

142

84

52

32

20

14

10

T

0,899

0,746

0,888

0,903

0,897

0,914

0,833

0,933

1,111

3. ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. По данным измерений рассчитайте коэффициент пропускания светофильтра T=U1/U0 для соответствующих длин волн. Результаты занесите в табл. 1.

2. Постройте график зависимости коэффициента пропускания свето-фильтра от длины волны: T=ƒ(λ).

3. По виду этой зависимости определите тип фильтра согласно схеме на рис. 2.

Укажите его в табл. 2.

+ В случае полосового фильтра рассчитайте его основные параметры: Tmax/T0, λ0, δλ. Полученные результаты запишите в табл. 2.

+ В случае отрезающего фильтра рассчитайте параметры λ0 и К; запишите их значения также в табл. 2. В ненужных клетках поставьте прочерк.

4. Пользуясь данными табл. 1, с помощью формулы (5) вычислите максимальное αmax и минимальное αmin значения коэффициента поглощения фильтра. Толщины фильтров l = 2,07 мм указаны на корпусе монохроматора. Результаты вычислений также занесите в табл. 2.

Таблица 2

Тип фильтра

Tmax/T0

λ0, нм

δλ, нм

К, м-1

αmax, м-1

αmin, м-1

отрезающий

420

0,002

–90,51

1534

График зависимости коэффициента пропускания свето-фильтра от длины волны


4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  С какими процессами в веществе связано явление поглощения света в веществе?

Поглощение света – это явление уменьшения энергии световых волн при их распространении в веществе вследствие преобразования части этой энергии в другие виды: внутреннюю и энергию вторичного излучения.

2.  Напишите закон Бугера и объясните физический смысл коэффициента поглощения α.

волны падающего излучения и называется коэффициентом поглощения среды.

закон Бугера:   (2)

где: I0 - интенсивность падающего на вещество света, I – интенсивность света на глубине х от поверхности тела, е = 2,718 – основание натуральных логарифмов. При х = 1/α интенсивность, т. е. убывает в е раз.

Таким образом, коэффициент поглощения α – это величина, обратная толщине слоя вещества, при прохождении которого свет ослабляется в 2,718 раз.

3.  Какие явления определяют потери интенсивности света при его прохождении через прозрачную пластину? Что такое коэффициент пропускания?

Потеря интенсивности связана с отражением света от границ раздела воздух-среда, а также с поглощением веществом электромагнитной энергии в слое бесконечно малой толщины dx на величину dI, причем относительное уменьшение интенсивности dI/I пропорционально толщине поглощающего слоя:

  (1)

Отношение I/I0 = Т называется коэффициентом пропускания среды заданной толщины.

4.  Какие устройства, служащие для получения монохроматического из лучения, Вам известны?

Монохроматор содержит устройство для разложения света в спектр, которое осуществляет пространственное разделение излучения разных длин волн. Кроме монохроматоров, которые позволяют "вырезать" из спектра излучения достаточно узкую область, применяются более простые устройства – фильтры, пропускающие сравнительно широкий участок спектра.

5.  Перечислите характеристики отрезающего и полосового фильтров.

По характеристикам пропускания фильтры делятся на полосовые, пропускающие излучение в сравнительно узком диапазоне длин волн и отрезающие, пропускающие волны, длиннее некоторого граничного значения λ0.

Параметрами полосового фильтра являются: прозрачность в максимуме пропускания Tmax, рабочая длина волны λ0, ширина полосы пропускания δλ, на половине максимальной прозрачности, прозрачность за пределами полосы (фон) T0 и контрастность Tmax/T0.

Параметрами отрезающего фильтра являются длина волны начала перехода от непрозрачности к прозрачности λ0 и крутизна спектральной характеристики КT/Δλ.


6.  Запишите формулу (6), определяющую углы φ, при которых отражательная
дифракционная решётка даёт усиление света для случая нормального падения света на решётку (i = 0). Сравните записанную формулу с соответствующей формулой для прозрачной дифракционной решётки в тех же условиях падения света.

  (6)

при i = 0 формула имеет вид:

d = sin φ =


Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2. М: Наука. 1982. § 130, 145.

2.  Трофимова Т.Н. Курс физики. М.: Высшая школа. 2004. § 180, 187.

PAGE  9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72308. Автоматизация видеорегистрации разговорных выступлений 124.94 KB
  Целью дипломного проекта является разработка устройства для автоматизации видеорегистрации разговорных выступлений для уменьшения затрат при записи и трансляции мероприятий. Идея автоматизации видеорегистрации разговорных выступлений свести к минимуму или вовсе избавиться от трудовых затрат...
72309. Бухгалтерский и налоговый учет амортизации основных средств в организации (ООО «Мекбар») 100 KB
  Целью настоящей дипломной работы является изучение амортизации основных средств. Для достижения обозначенной цели необходимо поставить ряд задач дипломной работы: изучение понятия, состава и роли основных средств в организации; рассмотрение амортизации основных средств...
72313. Социальный маркетинг на примере деятельности современных российских авиакомпаний 17.27 KB
  Социальный маркетинг перспективный этап развития маркетинга. При анализе стадий развития маркетинга через прохождения им различных концепций становится очевидным что первоначально фирмы основывали свои решения на соображениях извлечения прибыли.