3. OHYB A INTERFERENCE SVĚTLA OPTICKOU MŘÍŽKOU



Podobné dokumenty
Měření vlnové délky spektrálních čar rtuťové výbojky pomocí optické mřížky

MĚŘENÍ VLNOVÝCH DÉLEK SVĚTLA MŘÍŽKOVÝM SPEKTROMETREM

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.III. Název: Mřížkový spektrometr

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Laboratorní práce č. 3: Měření vlnové délky světla

Balmerova série vodíku

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Praktikum III - Optika

Název: Měření vlnové délky světla pomocí interference a difrakce

LMF 2. Optická aktivita látek. Postup :

Praktikum III - Optika

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 10: Interference a ohyb světla

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

Praktikum školních pokusů 2

M I K R O S K O P I E

Digitální učební materiál

5.3.6 Ohyb na mřížce. Předpoklady: 5305

Vlnové vlastnosti světla. Člověk a příroda Fyzika

Cvičení Kmity, vlny, optika Část interference, difrakce, fotometrie

Podle studijních textů k úloze [1] se divergence laserového svaku definuje jako

Základní pojmy Zobrazení zrcadlem, Zobrazení čočkou Lidské oko, Optické přístroje

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

Laboratorní práce č.9 Úloha č. 8. Závislost indexu lomu skla na vlnové délce světla Měření indexu lomu refraktometrem:

PRAKTIKUM IV Jaderná a subjaderná fyzika

Úloha č. 1: CD spektroskopie

Úloha 10: Interference a ohyb světla

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

S v ě telné jevy. Optika - nauka - o světle, jeho vlastnostech a účincích - o přístrojích, které jsou založeny na zákonech šíření světla

Dalekohledy. y τ τ F 1 F 2. f 2. f 1. Předpoklady: 5211

Tabulka I Měření tloušťky tenké vrstvy

Optika pro mikroskopii materiálů I

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

4. Z modové struktury emisního spektra laseru určete délku aktivní oblasti rezonátoru. Diskutujte,

Určení Planckovy konstanty pomocí fotoelektrického jevu

17. března Optická lavice s jezdci a držáky čoček, světelný zdroj pro optickou lavici, mikroskopický

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Youngův dvouštěrbinový experiment

Člověk a příroda Fyzika Cvičení z fyziky Laboratorní práce z fyziky 4. ročník vyššího gymnázia

Spektrální analyzátor Ocean optics

Světlo x elmag. záření. základní principy

Obrázek 2: Experimentální zařízení pro E-I. [1] Dřevěná základna [11] Plastové kolíčky [2] Laser s podstavcem a držákem [12] Kulaté černé nálepky [3]

Sada Optika. Kat. číslo

Optika. Zápisy do sešitu

Fyzika 2 - rámcové příklady vlnová optika, úvod do kvantové fyziky

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

VY_52_INOVACE_2NOV67. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 9.

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Studium ohybových jevů v laserovém svazku

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Vlnové vlastnosti světla difrakce, laser

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Graf I - Závislost magnetické indukce na proudu protékajícím magnetem. naměřené hodnoty kvadratické proložení. B [m T ] I[A]

Název: Pozorování a měření emisních spekter různých zdrojů

Fyzikální praktikum Závislost indexu lomu skla na vlnové délce. Refraktometr

Měření závislosti indexu lomu kapalin na vlnové délce

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Optika OPTIKA. June 04, VY_32_INOVACE_113.notebook

Jednou z nejstarších partií fyziky je nauka o světle tj. optika. Existovaly dva názory na fyzikální podstatu světla:

Měření koncentrace roztoku absorpčním spektrofotometrem

3. SVĚTELNÉ JEVY. Světelné zdroje. Rychlost světla.

Přesný goniometr-spektrometr S Go 1.1

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Učební texty z fyziky 2. A OPTIKA. Obor zabývající se poznatky o a zákonitostmi světelných jevů. V posledních letech rozvoj optiky vynález a využití

Světlo 1) Světlo patří mezi elektromagnetické vlnění (jako rádiový signál, Tv signál) elmg. vlnění = elmg. záření

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 4: Balmerova série vodíku. Abstrakt

STUDIUM OHYBOVÝCH JEVŮ LASEROVÉHO ZÁŘENÍ

Fyzikální praktikum III

Geometrická optika. Optické přístroje a soustavy. převážně jsou založeny na vzájemné interakci světelného pole s látkou nebo s jiným fyzikálním polem

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

Spektroskop. Anotace:

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Praktikum z pevných látek (F6390)

Spektroskopie v UV-VIS oblasti. UV-VIS spektroskopie. Roztok KMnO 4. pracuje nejčastěji v oblasti nm

Úkoly. 1 Teoretický úvod. 1.1 Mikroskop

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

7 FYZIKÁLNÍ OPTIKA. Interference Ohyb Polarizace. Co je to ohyb? 27.2 Ohyb

Hranolový spektrometr

Charakteristiky optického záření

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 07_10_Zobrazování optickými soustavami 1

Měření optických vlastností materiálů

2. Pomocí Hg výbojky okalibrujte stupnici monochromátoru SPM 2.

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

Světlo jako elektromagnetické záření

h n i s k o v v z d á l e n o s t s p o j n ý c h č o č e k

3. Totéž proveďte pro 6 8 hodnot indukce při pozorování ve směru magnetického pole. Opět určete polarizaci.

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Optika nauka o světle

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Praktikum III - Optika

GEOMETRICKÁ OPTIKA. Znáš pojmy A. 1. Znázorni chod význačných paprsků pro spojku. Čočku popiš a uveď pro ni znaménkovou konvenci.

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

Transkript:

3. OHYB A INTERFERENCE SVĚTLA OPTICKOU MŘÍŽKOU Měřicí potřeby 1) spektrometr ) optická mřížka 3) sodíková výbojka 4) Balmerova lampa Teorie Optická mřížka na průchod světla je skleněná destička, na níž je vyryta řada jemných, rovnoběžných, stejně od sebe vzdálených vrypů. Vrypy tvoří neprůhledná místa a neporušené sklo mezi nimi vytváří řadu rovnoběžných štěrbin. Vzdálenost dvou sousedních vrypů d (rovná vzdálenosti středů sousedních štěrbin) se nazývá mřížková konstanta. Její převrácená hodnota udává počet vrypů (štěrbin) připadajících na jednotku délky (U nejkvalitnějších mřížek až 1800 vrypů na 1 mm). Uvažujme rovnoběžné koherentní paprsky dopadající kolmo na destičku. Šíření světla od štěrbiny popíšeme pomocí Huygensova principu. Štěrbiny se stávají koherentními světelnými zdroji, od nichž se světlo šíří všemi směry. Vyšetříme, jaká bude intenzita světla po průchodu optickou mřížkou. Paprsky 1 a procházejí středy dvou sousedních štěrbin. Ve směru odchýleném o úhel α (viz obr. 1) interferují nové paprsky 1 a. Jejich dráhový rozdíl je δ a platí pro něj: δ = d. sinα. (1) Bude-li dráhový rozdíl roven celistvému násobku vlnové délky λ, budou se Obr. 1 Průchod světelných paprsků paprsky v tomto směru interferencí mřížkou maximálně zesilovat. Podmínka pro maximum intenzity ve směru daném úhlem α je tedy: d. sinα = kλ (k = 0, 1,, 3, ) () Změříme-li úhel α, pak ze známé hodnoty mřížkové konstanty d můžeme určit vlnovou délku použitého světla d.sinα λ = (3) k Číslo k se nazývá řádem maxima. Pro k = 0 musí být α = 0 pro všechny vlnové délky. V tomto případě hovoříme o maximu nultého řádu. Symetricky po obou jeho stranách lze pak pozorovat pro různé vlnové délky maxima prvního, druhého i třetího řádu. Maxima dalších řádů bývají již málo intenzivní. Nejméně odchýlena od přímého směru je vždy barva fialová a nejvíce barva červená. 106

Důležitým parametrem mřížky je její rozlišovací schopnost λ/ λ, kde λ je nejmenší rozdíl vlnových délek dvou spektrálních čar, které je možno mřížkou ještě rozlišit. Lze dokázat, že platí: λ = km, (4) λ tj. rozlišovací schopnost mřížky závisí na použitém řádu spektra k a na celkovém počtu vrypů na mřížce m. Přesnější měření vlnových délek světla se provádí k tomuto účelu sestrojenými Michelsonovými interferometry. Použijeme-li jako zdroj světla například vlákno žárovky (tuhé těleso), uvidíme spektrum spojité barva se bude plynule měnit od fialové přes modrou, zelenou, žlutou až k červené. Naopak budou-li zdrojem světla excitované atomy plynů nebo par (např. výbojka), bude spektrum čárové složené z jednotlivých izolovaných barev. Neschopnost klasické fyziky vysvětlit vznik čárových (diskrétních) spekter plynů a par (a spojitých spekter pevných látek) přispěla počátkem 0. století k její krizi a ke vzniku nové, kvantové fyziky. Známým teoretickým pokusem o vysvětlení stavby a vyzařování atomů byl r. 1913 Bohrův polokvantový model atomu. Již v roce 1885 však sestavil švýcarský fyzik Johan Jacob Balmer empirický vzorec, který přesně předpovídá vlnovou délku čtyř viditelných emisních čar vodíku. Tyto emisní čáry (červená,, fialová, fialová1) vešly do dějin fyziky pod názvem Balmerova serie. Balmerův vztah zní: 1 1 1 = R., (6) λ n n kde n..... je celé číslo 3, 4, 5 nebo 6 (tzv. kvantové číslo) 1/λ n..... vlnočet (převrácená hodnota vlnové délky) R..... konstanta, dnes nazývaná Rydbergova Měřicí přístroje K měření použijeme přístroje zvaného spektrometr (obr. ). Jeho hlavní části jsou kolimátor, pozorovací dalekohled 4, držák pro upevnění mřížky (popř. hranolu) a kruh 5 s úhloměrnou stupnicí a noniem. Kolimátor slouží k vytvoření rovnoběžného svazku paprsků k osvětlení celé plochy mřížky. Na vstupu má štěrbinu, jejíž šířku lze měnit šroubkem 1. Štěrbina leží v ohniskové rovině achromatické (bez barevné vady) spojné čočky, která je umístěna na výstupu z kolimátoru. Kolimátor je pevně spojen s podstavcem. Dalekohled 4 můžeme při uvolnění šroubu 6 volně otáčet; při utažení šroubu 6 s ním lze jemně pohybovat pomocí mikrometrického šroubu 7. S dalekohledem je pevně spojena noniová stupnice, na níž odečítáme polohu dalekohledu s přesností na desetiny stupně. Střed zorného pole dalekohledu je vyznačen nitkovým křížem. 107

Postup při měření spektrometrem: 1) Zdroj světla postavte těsně ke štěrbině kolimátoru. ) Uvolněte šroub 6 a přesuňte dalekohled 4 proti kolimátoru tak, aby byl vidět přímý obraz štěrbiny. 4 3 5 1 Obr. Spektrometr (goniometr) 7 8 3 6 1 šroub pro nastavení šířky štěrbiny kolimátor 3 mřížka (nebo hranol) 4 dalekohled 5 kruh s úhloměrnou stupnicí 6 uvolňovací šroub na hrubý posuv dalekohledu 7 jemný posuv dalekohledu (po přitažení šroubu 6) 8 uvolňovací šroub pro nastavení kruhu se stupnicí 9 okulár 10 nonius 3) Vysouváním a zasouváním 9 4 10 okuláru 9 zaostřete obraz štěrbiny. Šroubem 1 nastavte šířku štěrbiny co nejmenší, ale tak aby byl dostatek světla pro pozorování maxim druhého řádu. Pro maximální jas je nutno zdroj světla posouváním do stran umístit do optimální polohy. 4) Dotáhněte opět šroub 6 a mikrometrickým šroubem 7 dolaďte polohu tak, aby se nitkový kříž kryl se středem štěrbiny. 5) Na pravé straně dalekohledu je připevněn nonius. Přiléhající kruh je rozdělen na 360. Pokud se nulová ryska nonia nekryje s ryskou 0 kruhu, opravte nastavení kruhu po uvolnění šroubu 8. Pak šroub opět dobře utáhněte. 6) Po uvolnění šroubu 6 pak můžete zaměřovat jednotlivá maxima prvních a druhých řádů. Jemný posuv docílíte opět podle bodu 4). Úhly ohybových maxim pro jednotlivé barvy měřte na obě strany od přímého paprsku. Při měření vpravo se úhly dají odečíst přímo α 1, α, α n, při měření vlevo odečtete úhly β 1, β, β n, a úhel od přímého paprsku získáte jako αi = 360 βi αi + αi (doplněk do 360 ). Z nalezených hodnot pak berte průměr α i =. 108

7) Úhly měřte s přesností 0,1. U méně viditelných čar můžete zvětšit šířku štěrbiny; pak ovšem nastavujte při měření nitkový kříž na levý okraj čáry. 8) Spektrometr je vhodné zakrýt černou látkou kvůli omezení vnějšího světla. Je však nutno průběžně kontrolovat, zda látka nebrání chodu paprsků. Měření Vlastní měření sestává ze dvou samostatných částí: A. Zjištění mřížkové konstanty pomocí světla o známé vlnové délce. Jako zdroj se použije sodíková výbojka, která vydává světlo žluté barvy s vlnovou délkou λ = 589,3 nm (průměrná vlnová délka sodíkového dubletu). Ze změřených úhlů ohybových maxim 1. a. řádu pro tuto žlutou barvu se vypočte ze vzorce () mřížková konstanta a jako výsledek se vezme aritmetický průměr. B. Měření emisního spektra vodíku ve viditelné oblasti Spektrum vodíku se měří pomocí Balmerovy lampy, jež je plněna vodními parami. Ve výboji se molekula H O štěpí na radikály H a OH a to umožňuje pozorování spektra samostatného vodíku. Pro zápis a výpočet naměřených hodnot můžete použít následující tabulku: řád barva α [ ] β [ ] α = 360 β [ ] 1 3 α + α α = [ ] sin(α) λ [nm] n R [cm 1 ] fialová1 fialová oranžová červená fialová1 fialová oranžová červená fialová Pozn.: oranžová barva nepatří vodíku. K výpočtu vlnové délky čar použijte mřížkovou konstantu změřenou v bodu A. Pracovní úkol 1) Pro sodíkovou výbojku změřte polohy ohybových maxim 1. a. řádu na obě strany od přímého paprsku (pouze žluté čáry!). ) Vypočtěte mřížkovou konstantu d a počet vrypů na 1 mm. 3) Proměřte spektrum Balmerovy lampy do 3. řádu (viz tabulka). Pozor fialová1 je hůře viditelná a ve. řádu již nemusí být znatelná. 4) Vypočtěte vlnové délky jednotlivých barev. 109

5) Přiřaďte jednotlivým barvám kvantová čísla. 6) Na základě Balmerova vztahu vypočtěte pro každou vlnovou délku Rydbergovu konstantu R. Dále spočtěte její střední hodnotu a směrodatnou chybu. Veškeré informace týkající se chyb měření najdete v úvodní části skript v kapitole Chyby měření. 7) Sestrojte graf závislosti výrazu 1/λ na (1/4 1/n ). Pomocí lineární regrese (viz Chyby měření, odst. D) najděte rovnici této přímkové závislosti. Směrnicí přímky je Rydbergova konstanta. 8) Porovnejte obě hodnoty Rydbergovy konstanty s tabulkovou hodnotou R = 109 737,314 3 cm 1. 110