d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila



Samankaltaiset tiedostot
FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

HILA JA PRISMA. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn teoriaa

FYSA2031/K2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

Työ 2324B 4h. VALON KULKU AINEESSA

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Diffraktio. Luku 36. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun

VALON DIFFRAKTIO YHDESSÄ JA KAHDESSA RAOSSA

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 TIETOTEKNIIKKA / SALO FYSIIKAN LABORATORIO V

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti:

Fysiikan laboratoriotyöt 2, osa 2 ATOMIN SPEKTRI

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

24AB. Lasertutkimus ja spektrianalyysi

Interferenssi. Luku 35. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun

YHDEN RAON DIFFRAKTIO. Laskuharjoitustehtävä harjoituksessa 11.

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 TEKNIIKKA FYSIIKAN LABORATORIO V

YOUNGIN KOE. varmistaa, että tuottaa vaihe-eron

Linssin kuvausyhtälö (ns. ohuen linssin approksimaatio):

Työn tavoitteita. 1 Johdanto

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

eriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate.

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

12 DIFFRAKTIO 12.1 FRAUNHOFERIN DIFFRAKTIO KAPEASSA RAOSSA

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Spektroskopia. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

MIKKELIN LUKIO SPEKTROMETRIA. NOT-tiedekoulu La Palma

Kuva 1. Kaaviokuva mittausjärjestelystä. Laserista L tuleva valonsäde kulkee rakojärjestelmän R läpi ja muodostaa diffraktiokuvion varjostimelle V.

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

ja siis myös n= nk ( ). Tällöin dk l l

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

12.3 KAHDEN RAON DIFFRAKTIO. Yhden kapean raon aiheuttama amplitudi tarkastelupisteeseen P laskettiin integraalilla E = ò,

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

= vaimenevan värähdysliikkeen taajuus)

7 VALON DIFFRAKTIO JA POLARISAATIO

11.1 MICHELSONIN INTERFEROMETRI

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

1 Johdanto (1) missä 0 on. interferenssi. mittauksen tarkkuudeksi Δ

Kertaustehtävien ratkaisuja

The acquisition of science competencies using ICT real time experiments COMBLAB. Kasvihuoneongelma. Valon ja aineen vuorovaikutus. Liian tavallinen!

2. Pystyasennossa olevaa jousta kuormitettiin erimassaisilla kappaleilla (kuva), jolloin saatiin taulukon mukaiset tulokset.

Esimerkki: Tarkastellaan puolipallon muotoista paksua linssiä, jonka taitekerroin on 1,50:

35 VALON INTERFERENSSI (Interference)

VALON DIFFRAKTIO JA POLARISAATIO

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Valon havaitseminen. Näkövirheet ja silmän sairaudet. Silmä Näkö ja optiikka. Taittuminen. Valo. Heijastuminen

3. Optiikka. 1. Geometrinen optiikka. 2. Aalto-optiikka. 3. Stokesin parametrit. 4. Perussuureita. 5. Kuvausvirheet. 6. Optiikan suunnittelu

Kuva 1. Valon polarisoituminen. P = polarisaattori, A = analysaattori (kierrettävä).

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Valo aaltoliikkeenä DFCL3 Fysiikan hahmottava kokeellisuus kokonaisuus 12

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

Kuva 1. Fotodiodi (vasemmalla) ja tässä työssä käytetty mittauskytkentä (oikealla).

Valon diffraktio yhdessä ja kahdessa raossa

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka. Kari Sormunen Kevät 2014

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

Aallot. voima F on suoraan verrannollinen venymään x. k = jousivakio Jousivakion yksikkö [k] = 1 N/m = 1 kg/s 2

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 2, Harmoninen värähtelijä

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

35. Kahden aallon interferenssi

Kuva 1. Michelsonin interferometrin periaate.

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

Valo, valonsäde, väri

2 paq / l = p, josta suuntakulma q voidaan ratkaista

π yd cos 2 b) Osoita, että lauseke intensiteetille sirontakulman funktiona on I

Fysiikan valintakoe klo 9-12

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

Teoreettisia perusteita I

Valo, laser ja optiikka -havaintovälineistö

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Optiikka. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Fysiikan kotityöt. Fy 3.2 ( ) Heikki Juva, Aarne Niittyluoto, Heidi Kiiveri, Irina Pitkänen, (Risto Uusitalo)

YO-KYSYMYKSIÄ KURSSISTA FY3: Aallot

Esitehtävä (ks. sivu 5) tulee olla tehtynä mittausvuorolle tultaessa!

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet. Kari Sormunen Syksy 2014

Asiaa käsitteleviä artikkeleita on koottu kansioon, jonka saa lainaan oppilaslaboratorion kopista. s ja kontaktipotentiaalierosta K.

PERUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

VALONTAITTOMITTARIN KÄYTTÖ

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

FYSIIKAN VALINTAKOKEET HELSINGIN YLIOPISTOSSA SYKSYLLÄ 1972

1/6 TEKNIIKKA JA LIIKENNE FYSIIKAN LABORATORIO V

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYSIIKAN LABORAATIOTYÖ 4 LÄMMÖNJOHTAVUUDEN, LÄMMÖNLÄPÄISYKERTOI- MEN JA LÄMMÖNSIIRTYMISKERTOIMEN MÄÄRITYS

λ = f Nyt aallonnopeus v on valonnopeus c = m/s. Aallonpituudet ovat: 670 nm s 8 = 0,75 m. 0,40 10 s 0,40 nm.

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

a ' ExW:n halkaisija/2 5/ 2 3

VALON KÄYTTÄYTYMINEN RAJAPINNOILLA

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

5. Optiikka. Havaitsevan tähtitieteen pk I, luento 5, Kalvot: Jyri Näränen ja Thomas Hackman. HTTPK I, kevät 2012, luento 5

Työssä mitataan välillisesti elektronien taipumiskulmat ja lasketaan niiden sekä elektronin energian avulla grafiitin hilavakioita.

Sähkömagneettinen säteily ja sen vuorovaikutusmekanismit

Matematiikan tukikurssi

Kehät ja väripilvet. Ilmiöistä ja synnystä

34. Geometrista optiikkaa

Essee Laserista. Laatija - Pasi Vähämartti. Vuosikurssi - IST4SE

MAIDON PROTEIININ MÄÄRÄN SELVITTÄMINEN (OSA 1)

INTERFERENSSI OHUISSA KALVOISSA OPETTAJANOHJE

9. Polarimetria. 1. Stokesin parametrit 2. Polarisaatio tähtitieteessä. 3. Polarisaattorit 4. CCD polarimetria

HEIJASTUMINEN JA TAITTUMINEN

Transkriptio:

Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila Optisessa hilassa on hyvin suuri määrä yhdensuuntaisia, toisistaan yhtä kaukana olevia yhtä leveitä rakoja. Tällainen hila valmistetaan siten, että lasiin naarmutetaan jakokoneen timantilla yhdensuuntaisia läpinäkymättömiä viivoja (tavallisesti 200..3000 viivaa millimetriä kohden). Näiden viivojen väliin jäävistä lasin ehjistä kohdista (raoista) valo pääsee läpi. Hilan kahden viereisen raon välinen etäisyys on hilavakio d. d d d sin KUVA 1 Kuva 1 liittyy valon taipumiseen hilassa. Tarkastellaan tapausta, jossa monokromaattinen valo tulee kohtisuoraan hilaan. Valon taipuminen hilassa voidaan selittää Huygensin periaatteella, jonka mukaisesti hilan raot toimivat alkeisaaltojen lähteenä. Hilan raoista lähteneiden aaltojen interferenssin tuloksena syntyy tietty valon intensiteettijakauma (kuvan 1 tapauksessa hilan oikealla puolella). Tarkastellaan hilan eri raoista lähteneitä aaltoja tietyissä suunnissa. Suoraan tulosuunnassa aallot ovat samassa vaiheessa ja vahvistavat toisiaan ja tässä suunnassa syntyy valomaksimi. Suunnassa, joka muodostaa kulman tulosuunnan kanssa, kuvan 1 mukaisesti hilan kahdesta viereisestä raosta lähtevien aaltojen matkaero on dsin(). Jos matkaero on aallonpituuden monikerta, aallot ovat samassa vaiheessa ja vahvistavat toisiaan. Tällöin syntyy valomaksimit keskusmaksimin molemmille puolille. Edellisen tarkastelun mukaisesti hilayhtälö saa muodon (1) d sin = kλ (k = 1, 2, )

2 Jos hilaan ohjataan kaasupurkausputken valoa, jossa on useita aallonpituuksia, jokaista aallonpituutta vastaa erisuuruinen taipumiskulma ja kuvan 3 mukaisessa spektrometrissä muodostuu joukko erivärisiä viivoja. Punainen valo taipuu eniten ja violetti valo vähiten. Hilayhtälössä (1) k = 1 vastaa 1. kertaluvun spektriä (matkaero on λ), k = 2 (matkaero on 2λ) toisen kertaluvun spektriä, jne. II Prisma ε 1 2 δ min n ( prismalasin taitekerroin) KUVA 2 Tarkastellaan monokromaattisen valon kulkua prisman läpi. Ilman ja prismalasin rajapinnassa valonsäteen suunta muuttuu. Kuvan 2 merkintöjä käyttäen saadaan sin1 (2) = n sin 2. Valonsäteen kulkiessa prisman läpi symmetrisesti on prismaan tulevan ja siitä lähtevän säteen välinen kulma δ minimissä. Kuvassa 2 on esitetty tämä tapaus ja minimipoikkeamaan liittyvä kulma δ min. Tällöin prismalasin taitekertoimelle n voidaan johtaa kaava (3) 1 sin ( δ min + ε ) = 2 n, 1 sin ε 2 missä ε = prisman taittava kulma. Taitekertoimen n arvo riippuu prisma-aineen lisäksi valon aallonpituudesta. Taitekerroin kasvaa aallonpituuden lyhentyessä, joten ilman ja prismalasin rajapinnassa violetti valo taittuu enemmän kuin punainen valo. III Spektrometri Spektrometrin periaatteellinen rakenne näkyy kuvasta 3. Siinä on kierrettävä asteikkoympyrä Ay, kiinteä kollimaattoriputki K ja kierrettävä kaukoputki Kp. Näiden välissä keskellä on teline, johon voidaan asettaa hila tai prisma. Kuva 3 esittää tapausta, jossa valonlähteestä (kaasupurkausputki) ohjataan valo säädettävän raon läpi kollimaattoriputkeen K. Putkessa oleva linssi suuntaa valonsäteet hilaan, joka asetetaan kohtisuoraan valonsäteitä vastaan. Hilan läpi kulkenutta valoa tutkitaan

3 käännettävällä kaukoputkella. Kun okulaarissa oleva hiusristikko asetetaan spektriviivan kohdalle, kaukoputken asema ja siten myös taipumiskulma voidaan lukea kulmaasteikolta 0,1 tarkkuudella laitteeseen liittyvän noniusasteikon avulla. Kun tutkitaan valon taittumista ja määritetään taitekertoimia, hilan paikalla on telineessä prisma ja kulmamittaukset suoritetaan vastaavalla tavalla kuin hilan tapauksessa. Ay k= 2 Valonlähde K hila k= 1 Kp k = 0 k= 2 KUVA 3 IV Työn suoritus ja tulosten laskenta 1. Hilavakion ( d ) määritys Hilavakion määrityksessä valon aallonpituus pitää tietää tarkasti. Esimerkiksi natriumlampun emittoiman valon spektrissä esiintyvä dubletti on muodostunut viivoista, joiden aallonpituudet ovat 589,0 nm ja 589,6 nm. Koska työssä käytettävän spektrometrin tarkkuus ei riitä dubletin viivojen käsittelyyn erillisinä, suunnataan okulaarin hiusristikko mahdollisimman keskelle viivaa (dublettia) ja laskuissa käytetään aallonpituudelle keskiarvoa λ = 589,3 nm. Työtä suoritettaessa mitataan 1. ja 2. kertaluvun viivoja vastaavat taipumiskulmat 0,1 :n tarkkuudella nollakohdan molemmin puolin kohdassa III (spektrometri) esitetyllä tavalla. Kun spektrometrin kulma-asteikolta otetaan lukemat nollan molemmin puolin, saadaan kulma 2 ja siitä edelleen. Näin vältytään nollakohdan tarkalta määritykseltä. Työselostuksessa hilavakio d lasketaan kaavan (1) avulla. Tuloksena ilmoitetaan keskiarvo saaduista d:n arvoista. 2. Valon aallonpituusmittauksia Kun käytettävän hilan hilavakio tunnetaan, voidaan suorittaa valon aallonpituusmittauksia. Mittauksissa käytetään esim. elohopealamppua, jonka emittoima valo sisältää useita aallonpituuksia ja spektrometrissä muodostuu täten useita viivoja. Myös muita kaasupurkauslamppuja voidaan käyttää.

4 Kaavan (1) mukaisesti taipumiskulma riippuu valon aallonpituudesta, joten erivärisiä viivoja vastaa eri kulmat. Työtä suoritettaessa mitataan 1. kertaluvun viivaa vastaava taipumiskulma 0,1 :n tarkkuudella jokaiselle viivalle. Luetaan spektrometrin kulmaasteikolta lukemat nollankohdan molemmin puolin, jolloin saadaan taipumiskulma vastaavalla tavalla kuin hilavakion määrityksen yhteydessä. Työselostuksessa lasketaan jokaista spektrometrissä näkyvää viivaa vastaava aallonpituus kaavaa (1) käyttäen. 3. Taitekertoimien määritys Asetetaan prisma spektrometrissä olevaan telineeseen. Valolähteenä käytetään esim. elohopealamppua. Myös muita kaasupurkauslamppuja voidaan käyttää. Koska jokaista aallonpituutta vastaa eri taitekerroin, prismassa tapahtuu erilainen taittuminen eri aallonpituuksille ja spektrometrissä näkyy erivärisiä viivoja. Poikkeamakulma δ min määritetään seuraavasti. Etsitään tarkasteltava viiva kaukoputken ristikkoon. Kierretään prismatelinettä ja samalla seurataan viivaa kaukoputkella. Poikkeamakulman minimikohta havaitaan siitä, että siirryttäessä siitä kumpaan suuntaan tahansa spektriviiva liikkuu samaan suuntaan. Otetaan muistiin kulmaa δ min vastaava asteikkoympyrän lukema 0,1 :n tarkkuudella. Poistetaan prisma spektrometristä ja tarkistetaan nollakohtaa vastaava kulmalukema spektrometrin kulma-asteikolta suuntaamalla kaukoputki kohti rakoa. Prisman taittavan kulman ε arvo annetaan työvuoron aikana. Työselostuksessa lasketaan jokaista aallonpituutta vastaava taitekerroin kaavaa (3) käyttäen sekä esitetään graafisesti taitekerroin n aallonpituuden λ funktiona eli määritetään valon dispersiokäyrä. Lopputulokset Lopputuloksina selostuksessa ilmoitetaan: 1. Hilavakio d 2. Mitattujen tuntemattomien viivojen aallonpituudet 3. Eri aallonpituuksia vastaavat taitekertoimet sekä valon dispersiokäyrä prismalle

5 Oulun Seudun Ammattikorkeakoulu MITTAUSPÖYTÄKIRJA LABORATORIOTYÖ 8 SPEKTROMETRI Ryhmä: Pvm: Laatija: Työn ohjaaja: Käytetyt välineet: Mittaustulokset hilavakio Hila Prisma k väri δ min = λ= ε= 0 =