Gitter- und Prismenspektrometer

• Auflösungsvermögen, Eichen und Kalibrieren, Goniometer, Winkel, Bogenminute
2.2
Physikalisches Grundlagenlabor
Theorie
Geräte
In diesem Versuch soll ein Prismenspektrometer kalibriert werden. Anschließend sollen die Wellenlängen des Lichtes bestimmt werden, das von einer Spektrallampe emittiert wird.
Zunächst werden mit Hilfe der Beugung an einem Gitter die Wellenlängen
von Licht bestimmt, das von verschiedenen Spektrallampen emittiert wird.
Fällt paralleles Licht der Wellenlänge λ senkrecht auf ein Gitter mit dem Strichabstand (Gitterkostante) d, so wird es unter den Winkeln ϕ gebeugt, für die
gilt
• Spektrometer,
d · sin (ϕ·) = n · λ
Versuch 3.2 Wellenlängenbestimmung mit dem
Gitter- und Prismenspektrometer
1
n heißt die Ordnung der Beugung. Bei bekannter Gitterkonstante d läßt sich
so aus der Messung des Beugungswinkels ϕ die Wellenlänge λ bestimmen.
Die Messung des Beugungswinkels erfolgt mit dem Spektrometer, auf dessen
Tisch (22) das Gitter gesetzt wird.
Das Licht einer Spektrallampe beleuchtet den Spalt (19). Bei korrekt justiertem Spektrometer verläßt es das Spaltrohr (21) als ebene Welle und fällt
senkrecht auf das Gitter, an dem es gebeugt wird. Die unter dem Winkel ϕ
gebeugte ebene Lichtwelle tritt in das Fernrohr ein und wird im Schnittpunkt
des Fadenkreuzes des Fernrohrs gebündelt. Hier erhält man ein Bild des Spaltes (eine sogenannte Linie des Spektrums). Der Beugungswinkel läßt sich mit
der Lupe (14) an der Teilkreisscheibe (10) ablesen.
• Gitter
• Prisma
• verschiedene Spektrallampen (Gasentladungsröhre) mit Spannungsversorgung
2
Grundlagen
2.1
(1)
Fachbegriffe
• Wellenlänge, Wellenvektor, Wellenfront, Strahlengang, Interferenz, Dispersion, Dispersionskurve,
1
erstellt: 26.8.2016
4
Hat man genügend viele Wellenlängen aus dem gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums bestimmt, so kann man mit diesen ein Prismenspektrometer
eichen, das durch Auswechseln des Gitters gegen ein Prisma entsteht. In dem
Prisma wird das Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge in bestimmte Richtungen gebrochen (Dispersion). Da es für den Zusammenhang zwischen Brechungswinkel und Wellenlänge keine einfache Beziehung wie bei der Beugung
gibt, muß man eine Eichkurve für den Zusammenhang zwischen Brechungswinkel ϕ und Wellenlänge mit Hilfe bekannter Wellenlängen erstellen.
3
Beschreibung des Spektrometers
Versuch
1. Das Spektrometer ist zu justieren. Richten Sie sich dabei nach der Justageanleitung unter Punkt 5.
2. Mit dem Gitterspektrometer sind die Wellenlängen der sichtbaren Quecksilberlinien und Cadmiumlinien zu bestimmen. Dazu werden für die einzelnen Linien im Spektrum die Winkelabstände rechts und links von der
0.ten Ordnung gemessen.
3. Das Gerät ist als Prismenspektrometer mit den in 2VersuchItem.2. bestimmten Wellenlängen zu eichen. Die Eichkurve ist zu zeichnen.
4. Man bestimme mit dem geeichten Prismenspektrometer das Spektrum des
sichtbaren Lichtes einer Gasentladung.
1. Fernrohr
12. Feststellschraube für Fernrohr 1
2. Einstellschraube für Schärfe
13. Nonien
3. Verschiebbares Gaußsches Okular
14. Ableselupen
4. Beleuchtungseinrichtung
15. Höhenverstellschraube für Spaltrohr
5. Justierschrauben zur seitlichen Verschiebung von Fernrohr 1
16. Justierschraube zu seitlichen Verschiebung von Spaltrohr 21
6. Höhenverstellschraube für Fernrohr 1, feststellbar
17. Feststellschraube für Spaltauszug
7. Nivellierschraube für Prismentisch 22
19. verstellbarer Spalt
8. Feststellschraube für Prismentisch 22
20. Mikrometerschraube zur Spaltverbreiterung
9. Feststellschraube für Teilkreisscheibe 10
10. Teilkreisscheibe
11. Feineinstellung für Fernrohr-Drehung
2
18. verstellbare Spaltbegrenzung
21. Spaltrohr mit Justierschraube zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern
22. Prismen- und Gittertisch
erstellt: 26.8.2016
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Justageanleitung
2. Justage des Kollimatorrohrs. Das Kollimatorrohr ist bereits vorjustiert,
d.h. der Spalt sitzt auf der optischen Achse der Kollimatorlinse. Er ist
lediglich in den Brennpunkt der Linse zu positionieren, damit ein paralleles
Strahlenbündel erzeugt wird.
Um genaue und reproduzierbare Messungen zu erhalten müssen Messgeräte
und Versuchsaufbauten sorgfältig justiert werden. In der Optik ist es dazu
sinnvoll die einzelnen Komponenten entlang der Lichtwege zu justieren. Dabei
ist in der Optik folgende Reihenfolge im Prinzip einzuhalten:
1. Es wird immer bei der Lichtquelle begonnen. Danach werden die Komponenten im ersten Strahlengang, ausgehend von der Lichtquelle zum Sensor,
der Reihe nach justiert. Wird ein Strahlteiler eingesetzt um den Strahlengang aufzuteilen so verfährt man für Komponenten in den weiteren
Strahlengänge ebenso in der gleichen Reihenfolge.
2. Die Strahlmitte soll stets auf der optischen Achse der einzelnen Komponenten liegen.
3. Der Lichtstrahl soll in der Regel immer parallel zur optischen Bank bzw.
zu Tischoberfläche laufen.
4. Ist eine Komponente justiert, so wird nicht dejustiert um Mängel an der
Strahlführung auszugleichen.
Im folgenden sollen diese Regeln dazu verwendet werden das Spektrometer zu
justieren.
5.1
Justage des Gitterspektrometers
1. Die Lichtquelle ist hier eine Spektrallampe. Es soll untersucht werden welche Wellenlängen der Spektrallampe im sichtbaren Bereich liegen. Da alles
Licht, daß auf den Eintrittspalt des Spektrometers fällt, spektral zerlegt
wird - auch das von Störquellen - ist die zu untersuchende Lichtquelle
auf den Eintrittspalt abzubilden!
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erstellt: 26.8.2016