Метод обращения спектральных линий

Сущность метода обращения спектральных линий заключается в следующем. Источник сплошного спектра – лампа накаливания 1 при помощи линзы 2 проектируется на

пламя 3, температуру которого необходимо измерить. Смотри схему установки на рис. 1.

Линза 4 проектирует пламя и изображение нити лампы на щель монохроматора 5 . Если в пламя ввести соль щелочного металла, например, , то в окуляре монохроматора будет наблюдаться сплошной спектр от лампы накаливания, на фоне которого видны две близко расположенные желтые линии (дуплет) натрия. При увеличении накала лампы, яркость сплошного спектра возрастает и достигает такой величины, что желтые линии натрия сливаются со сплошным спектром. Как будет показано ниже, это достигается при равенстве температуры пламени и яркостной температуры нити. Если температуру нити сделать более температуры пламени, то в окуляр будут видны две темные линии на фоне сплошного спектра в том месте, где раньше были эмиссионные линии натрия. Явление исчезновения спектральной линии пламени на фоне сплошного спектра эталонной лампы при равенстве температур пламени и лампы называется обращением спектральных линий.

Теория метода обращения.

Пусть - интенсивность (или яркость) спектральной линии пламени при отсутствии подсветки лампы, - интенсивность (или яркость) спектральной линии при просвечивании пламени светом эталонной лампы, - интенсивность (или яркость) сплошного фона, даваемого эталонной лампой, рядом со спектральной линией.

Введем понятие яркостной температуры излучающего тела. Яркостная температура тела - это такая температура абсолютно черного тела, при которой яркость его излучения будет равна яркости излучающего тела. Так как при одной и той же температуре яркость любого тела меньше яркости абсолютно черного тела, то яркостная температура тела меньше его истинной температуры. Если яркостная температура нити лампы , то согласно определению яркостной температуры, формулу Вина можно записать в виде:

(6)

В соответствии с законом Кирхгофа / 3 / для излучения пламени получим:

(7)

где - поглощательная способность пламени, - температура пламени.

При совместном действии пламени и лампы

(8)

В последнем выражении величина

представляет собой часть энергии излучения лампы, поглощенную в пламени.

Из уравнений /6/, /7/, /8/ получаем:

Откуда

(9)

Логарифмируя выражения / 6 / и / 7 /, вычитая одно из другого, получим:

или

(10)

Подставляя в последнее выражение величину из (9), после простых преобразований, получаем формулу для вычисления температуры пламени:

(11)

Из соотношения (11) следует, что когда интенсивность света от лампы будет равна интенсивности спектральной линии, наложенной на сплошной фон , то температура пламени равна яркостной температуре лампы .

Из вывода следует также, что измеренная методом обращения температура пламени не зависит от абсолютного значения поглощательной способности пламени. Следовательно, результаты измерения не зависят ни от концентрации излучающих атомов металла, ни от того, какой щелочной металл введен в пламя н ни от параметров спектроскопа.

Из (11) видно, что для определения температуры пламени нужно знать температуру нити лампы. Температуру нити лампы можно определить следующим образом. Измерить сопротивление нити лампы при комнатной температуре и, пользуясь таблицей 1, определить сопротивление нити при Т= 293 К. По показаниям амперметра и вольтметра определить сопротивление накаленной нити . По таблице 1 "Зависимости отношения от температуры" определить температуру нити.

Задание к подготовке.

1.Написать текстовую часть отчета. Подготовить таблицу.

2. Оценить ошибку, допустимую при применении формулы Вина вместо формулы Планка при температурах .

3. Вычислить интеграл: .

Выполнение работы.

1.Определить сопротивление нити лампы при комнатной температуре.

2.Собрать электрическую схему (рис. 1.)

Рис.1.

3.На оптической скамье собрать установку (рис.2).

Рис. 2. Схема установки

Поместить спиртовку между двумя линзами 2 и 4 так, чтобы резкое изображение нити
лампы, даваемое линзой 2, находилось точно в центре пламени спиртовки
(устанавливать спиртовку следует при потушенном пламени). Расположить
линзы таким образом, чтобы резкое изображение нити лампы совместно с
резким изображением пламени помещалось в центре защитного колпачка,
надеваемого на щель монохроматора.

При этом следует обратить внимание на то, чтобы нить лампы, центры линз 2 и 4 и пламя лежали ни одной прямой, являющейся продолжением оптической оси коллиматора монохроматора.

Найдя (при выключенной лампе) в спектре пламени спиртовки желтые линиинатрия, включить лампу и, меняя ток лампы, заметить, при какой силе токи линии натрия исчезают на фоне сплошною спектра лампы. Приэтом измерить силу тока и напряжение на лампе. Эти измерения следует повторить несколько раз постепенно увеличивая накал лампы, гак и постепенно ослабляя.

4.Результаты измерений занести в таблицу.