книги / Физика твердого тела и конденсированных систем. Ч. 1

параллельную интерференционным полосам, устанавливают последователь­ но в точках 7, 3, 5, 7, 9 (см. рис. 5) и 2, 4, 6, 8, 10. Получив соответствующие значения А/, находят высоту неровностей

Для классов 1-5 и 13-14 оценку рекомендуется производить по критерию RZi а для классов 6-12 по критерию Ra.

Описание прибора

Микроинтерферометр КИИ-4 имеет круглое основание / (рис. 6 ), на котором может быть установлена фотокамера или рамка с матовым стеклом 2. К верхнему торцу основания привинчена полая колонка 3, несущая предметный столик //, который при помощи микрометрических винтов 10, 12 может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Кроме того, столик может поворачиваться вокруг вертикальной оси и стопориться винтом 13. В колонке, под углом 70° к вертикальной оси, расположен наблюдательный тубус с окулярным микрометром. На трубе имеется кольцо 4, вращением которого можно вводить в оптическую систему отражательное зеркало.

Вин г 18 служит для фокусировки микроскопа на объект. Интерференционная головка содержит: осветитель 6 с винтами 5 и 7 для

центрирования лампы; горизонтально выдвигающуюся пластинку 8 с тремя отверстиями (в двух крайних отверстиях поставлены светофильтры: зеленый = 0,543 мкм и красный Хкр = 0,602 мкм); кольцо 9 с накаткой для

изменения диаметра апертурной диафрагмы; рукоятку 14 для включения шторки; винт /7, вращением которого вокруг своей оси можно изменять ширину интерференционных полос, а вращением вокруг оси всей интерференционной головки - направление полос; винт 16 для смещения интерференционных полос в поле зрения микроскопа.

Выполнение работы

1.Включить лампу и положить испытуемую деталь на столик прибора исследуемой поверхностью вниз.

2.Повернуть рукоятку 14 так, чтобы указатель (стрелка), показывающий положение шторки, стоял вертикально, и с помощью винта 18 сфокусировать испытуемую поверхность. Отжав винт 13. повернуть столик так, чтобы один из винтов 10 располагался против наблюдателя. Деталь на столике повернуть таким образом, чтобы следы обработки в поле зрения располагались горизонтально. Зажать винт 13.

3.Поворотом рукоятки 14 в горизонтальное положение включить в ход лучей зеркало 9 (см. рис. 1). При этом в поле зрения микроскопа должны появиться интерференционные полосы. Если интерференционные полосы нс видны, нужно обратиться к преподавателю или лаборанту.

4.Поворотом кольца 9 добиться наибольшей контрастности интерферен­ ционных полос.

5.Поворотом винта 17 (см. рис. 6 ) вокруг оси объективной головки, установить интерференционные полосы перпендикулярно следам обработки на испытуемой поверхности.

6 . С помощью винта 18 добиться наиболее резкого изображения полос и контролируемой поверхности. Если наиболее контрастные интерференцион­ ные полосы получились не в центре поля зрения, то следует отвернуть контргайку 15 и, вращая винт 16, привести полосы в центр поля зрения. Завернуть контргайку 15.

7.Вращением головки винта 17 вокруг его оси установить интервал между полосами, при котором наиболее четко видно искривление полос. В дальнейшем ходе работы расстояние между интерференционными полосами НЕ ИЗМЕНЯТЬ!

8. Повернуть окулярный микрометр таким образом, чтобы одна из нитей перекрестия совпала с направлением интерференционных полос, а другая - с направлением штрихов на исследуемой поверхности. Закрепить окулярный микрометр зажимным винтом.

9.Поставить светофильтр (любой).

10.Измерить величину интервала /z0 между соседними интерференцион­ ными полосами в делениях окулярной шкалы. Для этого вращением барабана на окулярном микрометре совместить вертикальную нить перекрестия с серединой какой-либо темной интерференционной полосы и произвести отсчет yV|: целые единицы - по шкале в окуляре (положение двух параллельных визирных линий), десятые и сотые - по барабану. Затем совместить эту же нить перекрестия с серединой какой-либо темной полосы

ипроизвести второй отсчет N2. При этом необходимо заметить число интервалов п между полосами.

Определить //„ в делениях шкалы:

и -------------. //о

п

Измерения проделать еще несколько раз и определить /госр. При работе в белом свете измерения следует проводить по двум соседним темным

Например, если двойной визирной штрих (рис. 7) при установке линии перекрестия в точке 1 находился между 4-м и 5-м делениями окулярной шкалы, а показания микрометрического винта 42, то значение И\ равно 4,42.

12.Высоту микронеровности Rz (в мкм) определить по формуле

^^ZQ <

лг

2^оср

13.Повторить измерения Rz для других участков исследуемой поверхности.

14.Из значений Rz выбрать наибольшее и по табл. 1 определить класс чистоты поверхности.

Контрольные вопросы

1.Условия максимума и минимума при интерференции света.

2.Оптическая схема и устройство интерферометра Линника.

3.Условия искривления интерференционных полос в поле зрения микроинтерферометра. Вывод рабочей формулы.

Список литературы

1.Годжаев Н.М. Оптика. М.: Высш. шк., 1977. С. 112, 113.

2.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб, пособие для втузов.

М.: Высш. шк., 2001. - 718 с.

3.Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. С. 134-136.

4.Савенко С.В. Измерительная техника. М.: Высш. шк., 1974. С. 112-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Цель работы: ознакомиться с линейчатыми спектрами испускания, исследовать спектры поглощения твердых тел.

Приборы и принадлежности:

1.Монохроматор УМ-2, укомплектованный зрительной трубой.

2.Ртутная лампа с источником питания.

3.Вентильный фотоэлемент.

4.Исследуемые на поглощение среды.

Краткие теоретические сведения

Так как в данной работе, кроме основной задачи - получения спектров поглощения, предварительно необходимо решить другую задач} проградуировать барабан монохроматора, а делается это с использованием линейчатого спектра излучения, то и вопросы теории рассматриваются в двух подразделах.

Излучение света веществом

Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым. Тепловое излучение, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества. Но свечение вещества, в частности газа, может быть вызвано и другим способом, например электрическим разрядом газов низкого давления, когда взаимодействия атомов нет, а излучение происходит за счет подводимой электрической энергии.

Пропуская излучение какого-либо тела через прибор, осуществляющий его разложение в спектр, можно судить о присутствии в излучении волн той или иной частоты, а также оценивать распределение энергии по участкам спектра. Такие спектры называются спектрами испускания. Пары и газы, находясь в атмосферном состоянии, при нагревании или электрическом разряде дают так называемые линейчатые спектры испускания, состоящие из относительно узких "линий”, т.е. узких частотных интервалов, где интенсивность излучения значительна. Так, водород дает в видимой части спектра пять линий, натрий одну и т.д., но каждое вещество (газ) имеет свой только ему присущий спектр. Жидкости дают, как правило, так называемый полосатый спектр: линии излучения представляют собой широкие полосы сложного строения.

Наконец, твердые тела при нагревании дают сплошной спектр с разным распределением интенсивности по спектру у разных тел.

Положение линий в атомных спектрах может быть объяснено на основе квантовых представлений, базирующихся на нижеизложенных постулатах Бора.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию.

Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты, по которым движутся электроны. При движении по стационарным орбитам электроны, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн. В этом утверждении заключается отказ от следствия из электродинамики, что ускоренно движущийся электрический заряд всегда излучает электромагнитные волны.

Правило квантования орбит Бора утверждает, что в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь

где h = h/2п; h = 6,625-10' 34 Дж-с - постоянная Планка; п= 1, 2, 3, ...; /и, v„, /*„ - масса, скорость и радиус п-й орбиты электрона.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его стационарных состояниях:

(2)

где vm;j - частота излучения, Ет и Еп - энергии атома в рассматриваемых состояниях.

Наиболее просто по теории Бора описываются спектры водородоподобных атомов (формула Бальмера - Ридберга):

числа т и п называются главными квантовыми числами, причем m = /i+l, п+2, и т. д.

Группа спектральных линий с одинаковым значением п называется серией спектральных линий. При п = 1 получается серия линий, расположенная в далекой ультрафиолетовой части спектра (серия Лаймана), при /1 = 2 наблюдается серия Бальмера, расположенная в видимой части спектра, и т. д.

Наибольшая частота для каждой серии с главным квантовым числом п соответствует значению т - оо и называется границей серии или

спектральным термом Тп = R /n 2

Поглощение света веществом

Световая волна, как, впрочем, и всякая другая, несет с собой энергию (в данном случае - энергию электромагнитного поля).

При прохождении света через вещество энергия световой волны (интенсивность света) уменьшается. В этом случае говорят, что имеет место пдглощение света веществом. Конечно, свет частично ещё и отражается, и рассеивается. Поглощение света связано с преобразованием энергии электромагнитного поля в другие виды, в частности в тепло, поскольку она затрачивается на возбуждение атомов и молекул вещества, на увеличение интенсивности их хаотического теплового движения.

Опишем явление поглощения света в общих чертах с энергетической точки зрения. Пусть через однородное вещество толщиной С распространяется пучок параллельных монохроматических лучей с длиной волны X. Выделим на расстоянии х от левой границы тела бесконечно тонкий слой дх (рис. 1 ).

Естественно предположить, что ослабление интенсивности света в слое dbc пропорционально интенсивности 1Х дошедшего до слоя света и толщине самого слоя (потерями света при отражении на границах пренебрегаем):

- d/A.= к\ Jx dx. (4) Знак "минус" означает уменьшение интенсивности. Коэффициент пропорциональности к\ определяется свойствами поглощающего вещества и длиной волны света. Эта величина, следовательно, характеризует поглощательную способность вещества по отношению к той или иной длине

волны; к\ называется показателем поглощения света.

Разделив переменные в (4), получим

шедшего из вещества; У0 - интенсивность света, падающего на вещество; t - толщина всего слоя.

Из выражения (6 ), потенциируя, по­ лучаем

этому закону интенсивность света убывает по экспоненциальному закону.

При толщине слоя t = — интенсивность J оказывается в е раз меньше, чем

к

У0. Таким образом, коэффициент поглощения света есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность света убывает в е

, 1 раз,т. е. кх = — .

Если поглотителем является растворенное вещество, то поглощение будет тем больше, чем больше молекул поглощающего вещества свет встречает на своем пути, т.е. коэффициент к-К зависит от концентрации растворенного вещества. В случае слабых растворов коэффициент поглощения пропорционален концентрации С:

Это соотношение называется законом Бера. Зависимость показателя поглощения от длины волны указывает на селективный характер поглощения, который и определяет окраску прозрачных тел в случае их освещения белым светом. Кривую зависимости кК называют спектром поглощения (рис. 2). Очень часто, кроме коэффициента поглощения, поглощательная способность вещества характеризуется двумя другими величинами: коэффициентом светопропускания

и оптической плотностью D, которая по определению представляет собой

Из (9), (10) и (11) видно, что величины т, D и /г>. связаны между собой определенным образом. Поскольку в случае растворов ку зависит от концентрации раствора С, следовательно, т и D зависят от С.