A spektrális megfigyelések eszközei 1992 Stepanyan
Készülékek spektrális megfigyelésekhez
Ha a napsugárzást spektrumsá bővítjük, akkor sokkal több információt kaphatunk rá.
Vegyük fontolóra, hogy milyen eszközök segítségével lehet a Nap spektrumát felépíteni.
A fizika iskolai tanfolyamából ismert, hogy egy fehér fénysugárban különböző hullámhosszú gerendák egy irányban haladnak. Ha egy diszperziós elemet helyeznek egy ilyen sugár útjába, akkor a különböző hullámhosszú sugárzás különböző módon eltér az eredeti iránytól. Minden spektroszkópiai eszköz ennek az elvnek az alapja. A diszperziós elemek, a prizmák és a diffrakciós rácsok leggyakrabban használatosak. Az 1. ábrán. A 10. ábrán látható, hogy a fénysugarak áthaladnak a prizmán. A bal oldalon egy fehér fénysugár hullik a prizmára. A prizma szélét a rajzban a refrakciós élnek nevezzük. Egy fénysugár, amely egy prizmára hullik, egy eltérő törésmutatójú táptalajba esik, és megváltoztatja irányát. Mivel a törésmutató n hullámhosszától függ, az eltérés a fénysugár a prizma szöge különböző lesz különböző hullámhosszú, a prizma kigyullad formájában egy végtelen sor fénysugarak különböző hullámhosszúságú, r. E. A különböző színek, szorosan egymás mellett levő, és ahelyett, hogy belépnénk egy fehér gerendába a prizmában, egy színes csíkot kapunk, amely merőleges a prizmának a refrakciós szélére, amelyben a színek vörösről az ibolyára változnak.
Ábra. 10. A fény áteresztése egy prizmán keresztül
De az egyik prizma nem teszi lehetővé számunkra, hogy minőségi spektrumot szerezzünk a Napból. Ehhez egy spektrográfra van szükség, amelyben a diszperziós elem mellett van egy rés, egy kollimátor és egy kamera is. A spektrográfnak egy prizmával meghatározott optikai sémáját az 1. ábrán mutatjuk be. 11. Az ábra bal oldala a spektrográf bejárati rést mutatja, amely merőleges a rajz síkjára. A távcsövön a fókuszsíkon kell elhelyezni, és rajta a Nap képét is felépítik. A rés a spektrográf fényforrása. Magától a fehér fény kúpszöge p viszonyítva határozzuk meg apertúra teleszkóp D / F, ahol D - átmérője a lencse vagy a fő tükör, egy F egyenértékű gyújtótávolság a teleszkóp. Az L lencse, amelynek középpontjában rés van, kollimátornak nevezik. A kollimátor után egy párhuzamos fehér fénysugár van a prizmán. Mint említettük, szabadul fel a prizma rendszer párhuzamos monokromatikus (m. E. egyetlen hullámhosszon), gerendák különböző fokban eltért az eredeti fehér sugár irányban. Mindegyik gerendák esik a lencse L „- kamrába, alatt egy másik szögben, és lesznek összegyűlt ebben a kamrában lencsét saját fókuszsíkjában egy spektrum csíkokra merőleges megtörő szélét. Szigorúan a fényképezőgép fókuszsíkjában a spektrográf bejárati résén egy sor monokromatikus képsorozatot kaptunk. A spektrum vörös része közeledik az incidens sugár irányához, és a lila rész távolabb van attól. A kapott spektrális csík hossza attól függ, hogy a prizma fénytörési szöge, az abszorbens anyag törésmutatója, és az L 'fényképezőgép objektív fókusztávolsága függ. Az 1. ábrán. 11 azt f 'jelöli.
Ábra. 11. Prismaspektrográf diagramja
A spektrum hosszával kapcsolatos nagyon fontos jellemző a spektrográfia diszperziója. Megkülönböztetni a szög és a lineáris diszperziót. A spektrográf szögletes diszperziója a gerendának a prizmában a hullámhossz mentén történő szögeinek származéka, általában d # 955; vegye 1 # 197; = 10-8 cm (angström). Ezután a szögszöri diszperzió a sugár elhajlásának szögében bekövetkező változás, ha a hullámhosszat 1 # 197-vel (d # 949, radianban) változtatjuk. A lineáris diszperziót a kamra fókuszsíkjában határozzuk meg, mivel a spektrum vonalai közötti távolság, amelynek hullámhossza 1: 197;
A prizma spektrográfia lineáris diszperziójának meghatározására szolgáló képlet a következő:
itt # 945; - a prizma refrakciós szöge, n az üveg üvegtörési indexe, amelyből a prizmát elkészítik, # 955; - hullámhossz, C és # 955; 0 állandók. Ezek az üveg minősége függenek.
Ebből a képletből látható, hogy a prizma diszperziója fordítottan arányos a hullámhosszal. Ebből következik, hogy a spektrum vörös része összenyomódik, és a kék részt megnyújtják.
A diszperziós elem lehet továbbá diffrakciós rács. Rendszerint egy vastag síkpárti lemez, amelynek egy alumíniumréteg vákuumban egy felületen van. Ezen a felületen egy speciális gyémántvágó jelölve van párhuzamos hornyokkal - a rácsjelek. A különböző rácsok esetében a stroke-számok száma - 50 és 1200 per milliméter között változik. Tágulási spektrumában beeső fény egy rács történik az intézkedés alapján a két fizika törvényei: diffrakciós fény a rést (a szélütés ebben az esetben), és a beavatkozást a sugarak visszavert minden szélütés. Nem fogunk itt tartózkodni a sok fizikai tankönyvben leírt diffrakciós rács elméletében. A 3. ábrán bemutatjuk. 12, melyik irányban a különböző színű, visszavert fénysugarak menjenek, amikor egy fehér fényrácsra esnek. Ha a rács alatt néhány szög a beeső fény a fehér fény irányába a visszavert fénysugár a szokásos gyakorlat a geometriai optika is fehér fény, az úgynevezett zéró sorrendben.
Ábra. 12. Fény diffrakciója diffrakciós rácsból
Ezt a fényt tükrözi a rács rudak közötti tükrözés. A lökések által visszavert fény a nulla rendből jobbra és balra mutat. Az 1. ábrán. A 12. ábra két ilyen spektrumot vagy sorrendet mutat mindkét oldalon. Valójában sokkal több lehet. A prizmával kapott spektrummal ellentétben a spektrum lila része leginkább a fehér fény irányából és pirosabbá válik. A spektrum egyik jellemzője, hogy a két fix hullámhosszú sugár közötti szög nő a rendelési számmal. Az 1. ábrán. Hogy a vörös és az ibolya fény második sorrendben levő szöge körülbelül kétszer nagyobb, mint az első sorrendben. A spektrum másik fontos jellemzője a megrendelések szuperpozíciója. Ugyanebben az irányban különböző rendzavarokhoz tartozó és különböző hullámhosszúságú sugarak vannak. Ennek a szuperpozíciónak a mintáját a következő egyszerű képlet adja meg:
k # 955; k = const (állandó, azaz állandó érték).
Itt k a rendelési szám, # 955, k a k-sorrendben a sugárzás hullámhossza. Bemutatjuk ezt a képletet a 2. ábra példáján. 12. Tegyük fel, hogy az A irányában a rács első sorrendjében (k = 1) a hullámhossz # 955; 1 = 6500 # 197;. Ezután a képlet segítségével megtaláljuk az állandó const = 1 * 6500 = 6500 értékét. K = 2 helyettesítjük a kezdeti képletet, amit megtalálunk, ami egyenlő # 955;
azaz az A irányú fény a 3250 hullámhosszú második sorrendből származik # 197;. Ez az ultraibolya fény, amelyre a szemünk érzéketlen, így csak speciális fényvetők segítségével tudjuk kimutatni.
Ha a rács második és magasabb rendjében szeretnénk megfigyelni, akkor a különböző hullámhosszú sugárzás az optikai tartományból, vagyis az emberi szem számára láthatóvá válik. Tehát, ha II. Sorrendben # 955; 2 = 6500 # 197;, k = 2, majd ugyanabban az irányban a III. Sorrendben van olyan sugárzás, amely már látható a szemnek. A különféle megrendelések sugárzásának elkülönítésére általában üvegszűrőket használnak. Abban az esetben, ha a spektrum vörös tartományát a második sorrendben szeretnénk megfigyelni, vörös vagy narancssárga szűrőt kell elhelyeznünk a rés előtt, és lehetőleg utána. Nem fogja kihagyni a kék fényt a második sorrendből (# 955; = 4333) # 197;). Ha szükséges, figyeljük meg a kék területet
A harmadik sorrendben a kék szűrő a "piros" részből "levágja" a spektrumot. Az üvegszűrők jellemzőit az alábbiakban ismertetjük.
A diffrakciós rács spektrográfja kis mértékben különbözik a prizma spektrográfjából. A résnek, a kollimátornak, a fényképezőgépnek ugyanazoknak az alapvető elemeknek kell lennie. De mivel a modern rácsok elsősorban reflektívak, ezen elemek elrendezése eltérő lehet. Az 1. ábrán. A 13. ábra egy spektrográfiai rendszer egy lehetséges optikai sémáját ábrázolja egy rácskal. Itt a kollimátor és a kamera homorú gömb alakú tükrök. A fényképezőgép f 'kulimátorának fókusztávolsága. Egy másik séma (14. ábra) egy lencse egy kollimátor és egy kamera használatával.
Ábra. 13. Diffrakciós spektrográf diagram tükörkollimátorral és kamerával: 1 - rés; 2 - kollimátor; 3 - diffrakciós rács; 4 - a kamra; Az 5. ábra a fókuszsík, amelyben a spektrumot felépítettük
Ábra. 14. Autokollimációs spektrográf sémája: 1 - rés; 2 - kollimátorként és kameraként szolgáló cél: 3 - diffrakciós rács; A 4. ábra a fókuszsík, amelyben a spektrumot felépítettük
A diffrakciós spektrográf fontos jellemzője a diszperzió. A lámpatestek fényének előfordulásának kis szögeként ezt a képlet adja meg
Itt, k - a rendelési számot a spektrum, a - a szám a stroke a rács 1 mm-es, f - fókusztávolságát a kamera ugyanabban az egységben, mint a távolság dl a fókusz síkjában a kamera sugarak eltérő hullámhossz d # 955; (angströmben). Rendszerint a d # 955; = l # 197;
Példaként e képletből kiszámoljuk a spektrográfus első sorrendjében a varianciát egy 600 keresztmetszetű rácsonként. A spektrografikus kamera fókusztávolsága 7 m = 7000 mm. Kapunk
Gyakran használják a fordított diszperziót, a mi esetünkben
Ha a prizmás és diffrakciós spektrográfok kifejezését hasonlítjuk össze, akkor a fő különbség az, hogy egy prism spektrográf esetében a diszperzió függ a hullámhossztól # 955; és nem függ a diffrakciótól. Ebben a változatban növekszik a nagyobb megbízásokhoz való átadás (arányosan a k sorrendjével).
Fogjuk meg a spektrográf bizonyos jellemzőit, amelyek függetlenek a diszperziós elem választásától. A választás egy sémát a spektrográf, hogy a funkció mérete attól függ, hogy nagy mértékben a jellemzői a távcső, amelynek kimenete lesz beállítva spektrográf. A csillagászok azt mondják, hogy a spektrográfot a távcsővel össze kell hangolni a rekesznyíláshoz. Beszéljük meg ezt a 3. ábrán. 15. Bal hagyományosan ábrázolt teleszkóp lencse, amelynek átmérője D, és a fókusztávolság F. spektrográf egy hasíték, amely a fókusz síkjában a távcső található, amely a jobb oldali a spektrográf (az ábra mutatja, csak a kollimátor). A spektrográf résében fellépő fény kúp a D / F oldat szögével és a résen lévő O csúcson. Természetesen a résen lévő spektrográfban a fény ugyanabban a kúpban fog propagálni. A kollimátor optimális méretét úgy kell megválasztani, hogy a résen áthaladt teljes gerenda áthaladjon a kollimátoron (vagy gömb alakú tükör esetén visszaverődjön). Ez a feltétel egyenértékű a D / F = d / f egyenlőséggel, vagyis a távcső és a kollimátor relatív nyílása (és fényereje) egyenlőnek kell lennie.
Ábra. 15. A teleszkóp és a spektrográfia beigazítása a nyílással
Lássuk most, milyen lehet a kollimátor és a kamera objektívjének (vagy tükrének) jellemzőinek aránya. Mivel, sőt, a spektrum egy-szekvencia monokromatikus kép a belépő rés, amely építeni kamra és a kollimátor, a rések monokromatikus kép mérete függ az arány a gyújtótávolság a kollimátor (f) és a kamera (f „). Ha a rés szélessége a, akkor a monokromatikus kép szélessége lesz
A nagy s esetében a szomszédos monokromatikus képek erős átfedése, vagyis a spektrum tisztasága csökken. Csökkentse az s értéket az f 'csökkentésével vagy növelve f. Fent adtuk azokat a diszperziós képleteket, amelyekből azt láttuk, hogy az f 'fókuszhosszúság csökkenésével a diszperzió csökken. Ezért a spektrum tisztaságának növelése érdekében jobb választani egy lencse (vagy tükör) egy kollimátor nagy f. Ami a hézag szélességét illeti, a választása nem önkényes. Az említett képletből egyértelműen kiderül, hogy minél szélesebb a rés, annál rosszabb a spektrum tisztasága. De a rés szélességének csökkenésével kevesebb fény jut át a spektrográfon. A rés szélességének optimális értékét, amelyet a normál résszélességnek neveznek, a
ahol # 955; - a hullámhossz ugyanazon egységekben, mint a résszélesség # 916; Az F / D a teleszkóp és a kollimátor két relatív fókusza közül a legkisebb, ha nem egyenlő. A gyakorlatban a szelet szélessége, amelyet ez a képlet határoz meg, vagy kissé nagyobb (legfeljebb 2 916; lN).