STUDIUL SPECTRULUI MERCURULUI

DEFINITII SI FORMULE

Lumina :

T        reprezinta efectul produs de anumite campuri electromagnetice asupra ochiului

T        poate genera senzatia de 'culoare', dar ochiul nu poate face o adevarata analiza asupra culorilor care compun lumina (de exemplu, un amestec de lumina albastra si galbena da senzatia de lumina verde)

T        poate fi descompusa cu ajutorul anumitor dispozitive fizice in mai multe fascicule de lumina colorata, care, la randul lor, nu se mai pot descompune in alte culori prin nici-un procedeu fizic cunoscut

T        lumina colorata care nu se mai poate descompune in alte culori poarta numele de lumina monocromatica

Spectrul luminii este ansamblul de radiatii monocromatice care compun un fascicul de lumina.

Exista doua reprezentari matematice utilizate pentru a descrie radiatia luminoasa :

T        unda electromagnetica

T        fluxul de fotoni

Fiecare dintre acestea este intrebuintat pentru a explica o intreaga gama de fenomene fizice, fara a putea fi substituite unul altuia. De exemplu, procesul emisiei de lumina este descris ca eliberarea unui foton, consecutiv trecerii unui electron de pe un nivel energetic excitat pe un nivel inferior. Pe de alta parte, interactiunea luminii cu o retea de difractie este un fenomen explicabil doar in ipoteza ondulatorie.

Lungimea de unda a unei radiatii monocromatice este distanta pe care se propaga unda electromagnetica in timp de o perioada :

unde : l = lungimea de unda

c = viteza de propagare a luminii

T = perioada oscilatiilor luminoase

n = frecventa oscilatiilor luminoase

Exista o legatura intre energia fotonului si frecventa undei electromagnetice corespunzatoare :

e = hn

unde : e = energia fotonului

h = constanta lui Planck = 6,62 10^-34 Js

Emisia luminii :

T        se obtine in urma excitarii energetice a atomilor sau moleculelor ce compun un mediu material

T        se poate realiza in tuburile de descarcare electrica in medii gazoase

T        se face in general sub forma unui amestec de radiatii monocromatice, care compun asa numitul spectru de emisie

T        in cazul tuburilor cu descarcare in medii gazoase este caracterizata de un numar relativ mic de componente monocromatice

Spectroscopul este aparatul care se utilizeaza pentru descompunerea luminii si masurarea lungimii de unda a componentelor spectrului.

Difractia :

T        este un fenomen caracteristic propagarii undelor

T        este definita ca fiind ocolirea aparenta de catre radiatiile luminoase a obstacolelor cu dimensiuni comparabile cu lungimea de unda

T        se poate explica utilizand principiul lui Huygens

Reteaua de difractie :

T        este un element optic care consta dintr-o suprafata transparenta pe care a fost trasat un mare numar de linii opace, paralele si echidistante

T        este caracterizata de numarul de linii trasate pe unitatea de lungime (n) sau de distanta dintre doua linii invecinate (a), numita constanta retelei

T        determina difractia luminii prin spatiile transparente dintre liniile opace, avand astfel rolul unui set de surse luminoase coerente ce emit lumina in toate directiile

Daca plasam o sursa luminoasa punctiforma in focarul unei lentile convergente, fasciculul divergent de raze de lumina care trece prin lentila va fi transformat intr-un fascicul paralel. De asemenea, un fascicul incident paralel va fi transformat intr-un fascicul ce converge in focarul imagine al lentilei. Aceasta constituie o modalitate de modelare a fasciculelor de lumina prin intermediul lentilelor.

ASPECTE TEORETICE

Sa consideram un fascicul paralel de raze de lumina care cade la incidenta normala pe suprafata unei retele de difractie. Sa separam mintal un fascicul de raze difractate paralele, care fac unghiul a cu directia initiala a luminii. Se observa cu usurinta ca diferenta de drum intre razele emergente consta din portiunile de lungimi d₁, d₂ = 2d₁, d₃ = 3d₁ Daca este indeplinita conditia :

d₁ = kl

unde k este un numar intreg, iar l este lungimea de unda a unei radiatii monocromatice, atunci prin interferenta tuturor razelor emergente se va obtine un maxim de interferenta. Deoarece :

unde n este constanta retelei, rezulta :

deci : daca se obtine un maxim de difractie, unghiul de difractie depinde de lungimea de unda a luminii monocromatice utilizate.

Aceste consideratii permit imaginarea unei metode practice de descompunere a luminii in radiatii monocromatice si de determinare a lungimii de unda a acestora, prin masurarea unghiurilor de difractie la care apar maxime de interferenta.

Fasciculul de lumina paralel, necesar desfasurarii experientei, poate fi obtinut utilizand o lentila-obiectiv, plasata intre sursa de lumina (un tub de descarcare in gaz) si reteaua de difractie. Tubul de descarcare trebuie asezat in focarul obiectivului. Pentru a obtine interferenta radiatiei emergente se utilizeaza o lentila-ocular, care se poate roti in jurul retelei de difractie. Imaginea spectrului de interferenta se formeaza in focarul ocularului.

MATERIALE SI APARATE

M        tuburi de descarcare cu vapori de mercur si de sodiu

M        sursele de alimentare ale tuburilor

M        spectroscop cu retea de difractie

EXPLICATII : (1) lampa, (2) fanta, (3) colimator, (4) reteaua de difractie, (5) luneta, (6) ocular, (7) goniometru (scala gradata pentru masurarea unghiurilor)

MOD DE LUCRU

a) Etalonarea retelei

se conecteaza la retea lampa cu vapori de sodiu

pentru ca tubul sa se incalzeasca si descarcarea electrica sa se stabilizeze se asteapta cateva minute

se aseaza tubul in dreptul fantei colimatorului

se regleaza deschiderea fantei

se verifica daca reteaua este asezata perpendicular pe fasciculul incident

se aduce luneta in prelungirea directiei colimatorului si se priveste prin ocular, urmarind obtinerea unei imagini clare, bine conturate a fantei (trebuie sa se vada o dunga luminoasa galbena, pe fond intunecat)

se roteste luneta spre stanga, pana cand o noua imagine apare in campul vizual

aceasta imagine reprezinta spectrul de ordinul intai, a carui pozitie unghiulara (masurata pe goniometru) trebuie notata in tabelul de date : A. Etalonarea retelei

se continua rotirea lunetei spre stanga, punand in evidenta spectrul de ordinul al doilea si notand in tabelul de date pozitia sa

se repeta aceste determinari, cu deosebirea ca luneta se roteste spre dreapta pozitiei initiale

se calculeaza unghiul de difractie a

se calculeaza constanta retelei n pentru fiecare ordin k, cunoscand lungimea de unda a radiatiei monocromatice emise de sodiu l = 5893

se calculeaza valoarea medie a constantei retelei <n>

se calculeaza eroarea relativa e

b) Determinarea lungimilor de unda ale radiatiilor luminoase emise de mercur

se inlocuieste tubul cu vapori de sodiu cu tubul cu vapori de mercur

se fac determinarile intr-un mod asemanator cu cazul precedent

rezultatele se trec in cel de-al doilea tabel de date (B. Determinarea lungimii de unda), in acord cu culorile indicate

se calculeaza unghiurile de difractie pentru fiecare culoare

lungimile de unda se calculeaza folosind valoarea medie a constantei retelei

se calculeaza eroarea relativa, dupa relatia :

PRELUCRAREA DATELOR

STUDENTI

1)

2)

3)

4) SEMNATURA CADRULUI DIDACTIC