LABORATOORNE TÖÖ NR.7
DISPERSIOON JA
SPEKTRAALANALÜÜS
TEOREETILINE OSA
Erineva lainepikkusega valguslained levivad keskkonnas erinevate kiirustega (vaakumis kõik sama kiirusega c ≈ 300 000 km/s). Valguse kiiruse sõltuvust lainepikkusest nimetatakse dispersiooniks. Kuna murdumisnäitaja (n = c/v, c – valguse kiirus vaakumis, v – kiirus keskkonnas) on samuti
funktsioon lainepikkusest, siis murdumisseadusest ( ) sin
sin
λ
β
α
n
= järeldub, et ühele ja samale langemisnurgale vastavad erinevad murdumisnurgad, st pärast murdumist toimub valge valguse kui liitvalguse lahutamine üksikuteks komponentideks – tekib spekter. Nähtuse avastas Isaac Newton 1666. aastal.
Joonis 7.1. Valguse murdumismisnäitaja seos valguse kiirusega erinevates keskkondades.
Joonis 7.2. Valge valguse lahutumine spektriks klaasprisma abil.
Inimene tajub erinevaid lainepikkusi eri värvustena. Valgusaisting tekib inimesel lainepikkuste vahemikus 380–760 nm. Keskmise normaalse silma värvieraldusvõimeks (piirlahutuseks) loetakse 2 nm. Selle põhjal hinnatakse inimsilma teoreetiliseks võimeks eristada ligikaudu 170 värvitooni. Päikeselt meieni jõudvat valgust nimetatakse valgeks valguseks. Valge valguse spekter on tähelepanuväärne selle poolest, et värvid järgnevad üksteisele pidevalt, mille tõttu spektrit
punane, oranž, kollane, roheline, helesinine, sinine ja violetne. Värvide nimetused on samuti pärit Newtonilt.
Helenduvate kehade spektreid nimetatakse kiirgusspektriteks. Vahetu vaatlemine ja pildistamine näitab, et kiirgusspektreid on kolme liiki: pidevad, joon- ja ribaspektrid (joonis 7.3). Pidevspektri annavad hõõgumiseni kuumutatud tahked ja vedelad kehad, kui nende valgus suunata läbi klaasprisma. Pidevspektri saame näiteks Päikese või kaarlambi vaatlemisel. Joonspektrid koosnevad tumedate vahemikega eraldatud värvilistest joontest, mida nimetatakse kiirgusjoonteks. Joonspektri annavad hõõguvad aurud ja gaasid. Gaasi võib helendama panna läbiva elektrivoolu toimel (Ne-reklaam torud). Käesolevas töös tuleb gaasi spektri uurimiseks panna uuritava gaasiga täidetud klaastoru (spektraaltoru) spektroskoobi toru ette ning lasta gaasist läbi elektrivool.
Erinevate ainete uurimine näitas, et iga keemiline element annab oma joonspektri, mis ei lange kokku ühegi teise elemendi joonspektriga. Keemiliste elementide joonspektrid erinevad üksteisest joonte värvuse, asukoha ja arvu poolest. Igale keemilisele elemendile iseloomulikud spektrijooned tekivad peale spektri nähtava osa ka infrapunases ja ultravioletses piirkonnas.
Joonspektreid tekitavad aatomid, mis pole ühinenud molekulideks. See kiirgus on seotud aatomisiseste protsessidega. Joonspektrite põhiomaduse võib sõnastada nii: mingi aine joonspektri lainepikkused sõltuvad ainult selle aine aatomite omadustest ja ei sõltu üldse aatomite kiirguse ergastamise viisist. Joonspektrite uurimine võimaldas kindlaks teha mitmesuguste keemiliste elementide aatomite elektronkatete ehitust.
Ribaspektrid koosnevad heledatest, üksteisest tumedate vahemikega eraldatud ribadest. Ribaspektreid tekitavad ergastatud molekulid. Suure lahutusvõimega spektroskoobis lahutuvad ribad üksikuteks joonteks.
Peale kiirgusspektrite on olemas veel neeldumisspektrid, mis saadakse pidevspektrit andva valguse läbiminekul neelavast keskkonnast. Selle tulemusena tekivad pidevspektrisse tumedad neeldumisjooned vastavalt neelava keskkonna neelamisomadustele. Saksa optiku Fraunhoferi nime järgi on Päikese pidevspektris ca 30 000 joont, mis kõik annavad infot keskkondadest, kust Päikese valgus läbi on tulnud.
Spektraalanalüüsi kasutatakse teaduses ja tehnikas laialt, eriti vajalik on see näiteks astrofüüsikas, kus peale keemilise koostise saab määrata ka taevaobjektide liikumise kiirust jm. Spektraalanalüüs on keemiliste ühendite kindlakstegemise kõige lihtsam ja kiireim viis. Meetod on väga tundlik ja võimaldab kindlaks teha keemilise elemendi üliväikest hulka (10-11 g).
Igal keemilisel elemendil on temale omane kiigusspekter. Sellest tingitult saab mingi aine hõõguvate aurude joonspektri järgi määrata, millised keemilised elemendid aine koostisesse kuuluvad. Niisugust aine keemiliste koostise kindlakstegemise viisi nimetatakse kvalitatiivseks spektraalanalüüsiks. Kaasajal on välja töötatud ka kvalitatiivse spektraalanalüüsi meetodid, mille abil saab keemilise elemendi spektrijoonte intensiivsuse järgi leida keemilise elemendi protsentuaalse sisalduse uuritavad aines.
Joonis 7.3. Spektrite liigid.
A. SPEKTROMEETRI GRADUEERIMINE HG-LAMBI ABIL
2. Spektromeetri gradueerimise võtte omandamine. 3. Spektromeetri gradueerimine Hg-lambi abil
TÖÖVAHENDID
Spektromeeter (SP-9268), Hg-lamp, toiteallikas, spektrite kataloog, statiiv muhviga difraktsioonvõred ( d = 1/600 (1/mm) = 1,66 x 10-3 mm või d = 1/300 (1/mm) = 3,3 x 10-3 mm).
A 1. Eksperiment 1: Spektromeetri tööpõhimõte ja seadistamine
I OSA SPEKTROMEETRI EHITUS JA TÖÖPÕHIMÕTE
Joonis 7.4. Spektromeeter SP-9268 koos lisaosadega.
Spektromeeter koosneb kahest torust (joonis 7.4), millest esimest nimetatakse kollimaatoriks (lad.k
colineare – collimare – sihtima), millega saab tekitada prismale suunamiseks paralleelseid kiiri
Kollimaatori pilu
Pilu laiuse reguleerimiskruvi Kollimaator Luup Fokuseerimiskruvi Spektromeetri laud Difraktsioonvõre ja selle koidja Vernieri skaala Teleskoobi pööramine: Täppisreguleerimiskruvi Fiksaatorkruvi Okulaar Teleskoop Laua pööramine: Fiksaatorkruvi Täppisreguleerimiskruvi Fokuseerimiskruvi Prisma ja tema kinnitusklamber
(joonis 7.5), sest uuritava valgusallikaga valgustatud pilu asub kollimaatori läätse fookuses. Prismas või difraktsioonvõrel lahutub uuritava valguse iga kiir spektriks. Kogu see värviline valgus suundub teise torusse. NB! Üle kogu prismast väjuva valgusvoo peavad kõik sama värvusega kiired omavahel olema paralleelsed. Erinevate värvustega kiirte kimbud aga asetsevad teineteise suhtes mingi kindla nurga all. Vastavalt läätse geomeetrilisele optikale koonduvad kõik sama värvusega paralleelsed kiired fokaaltasandi ühte punkti (õigemini joonele), teise värvusega paralleelsed kiired teise punkti (joonele) jne. Nii lahutataksegi valge valgus prisma või difraktsioonvõre abil spektriks, mida on võimalik vaadelda läbi teleskoobi ühes otsas asuva okulaari. Et silma võrkkestale langev kujutis oleks terav, reguleerige objektiivi fookuskaugust kruvi abil, mis asetseb teleleskoobi toru küljel.
Kui olete leidnud prismale või difraktsioonvõrele sellise asendi, mille korral tekkis terav kujutis (spekter), siis fikseerige spektromeetri pööratava aluse asend vastavate kruvide abil.
Mõõtmiste teostamiseks kasutage kruvi, mis võimaldab sujuvalt muuta teleskoobi asendit väga väikeste murdumisnurkade võrra. Nende nurkade mõõrmiseks kasutatakse Verinier’i skaalasid ning näitude täpsemaks lugemiseks komplekti kuuluvat luupi.
Joonis 7.5. Spektromeetri tööpõhimõtte skeem.
Kollimaatori pilu Punane valgus Kollimaator Paralleelsed kiired Valgus- allikas Teleskoop Okulaar Murdumisnurk
Difraktsioonvõre või prisma Roheline valgus
II OSA SPEKTROMEETRI SEADISTAMINE
1. Astetage spektromeetri teleskoop ja kollimaator nii, et nende optilised peateljed oleksid ühel sirgel (joonis 7.6 a).
2. Paigutage kollimaatori ette mõni valgusallikas ning muutke reguleerimiskruvide abil teleskoobi asendit nii, et paberist ekraanile tekiks korrektne valgusallika kujutis. Parima tulemuse saamiseks fokusseerige teleskoop lõpmatusse (näiteks aknast välja). Torude nihutamiseks horisontaalasendi suhtes kasutage torude ja korpuse ühenduskohtades paiknevaid nivelliirkruvisid (joonis 76.b).
3. Vaadates nüüd läbi teleskoobi, seadistage kollimaatori fookus ja kui see on vajalik, siis muutke kollimaatori ava, nii et kujutis oleks terav. Ärge samaaegselt teleskoobi fookust muutke.. 4. Fikseerige torude asendid spekromeetri alusel asuvate kruvide abil (vt joonis 7.4).
a) b)
Joonis 7.6. a) Spektromeetri torude algasend ja b) nivelliirkruvide kasutamine.
A 2. Eksperiment 2: Spektromeetri gradueerimine I OSA: DIFRAKTSIOONVÕRE KASUTAMINE
1. Kui olete seadistanud spektromeetri nii nagu kirjeldatud antud eksperimendi II osas, siis kinnitage spektromeetri pööratavale aluslauale difrakstioonvõre kinnitusklamber ja paigutage sellel asuvate klambrite vahele komplekti kuuluv difratsioonvõre (d = 1/600 (1/mm)).
Teleskoop Kollimaator Fiksaator- kruvid Monteeringu sammas Nivelliirkruvi
Joonis 7.7. Spektromeetri seadistamise skeem difraktsioonvõre kasutamise korral.
2. Liigutage pööratava lauakese asendit vertikaalsihis. Leidke lauakesele selline asend, mille korral difratsioonvõre oleks risti torude optilise peateljega ja kollimaatorist langev valgus langeks võimalikult täpselt difraktsioonvõre tsentrisse. Fikseerige seejärel lauakese asend vastava kruvi abil (joonis 7.7).
3. Difraktsioonvõre murdva nurga mõõtmiseks ühe kindla valguse lainepikkuse (punane) korral toimige nii nagu näidatud joonisel 7.8.
4. Fikseerige protokollis Vernier’i skaalasid kasutades torude algasendid võimalikult täpselt. Muutke lauakese täppisreguleerimiskruvi abil teleskoobi asendit seni, kuni objektiivis asuv märkerjoon on paigutunud uuritava värvuse riba serva.
5. Võtke skaaladelt lugeminäidud ja fikseerige need protokollis. Tegeliku pöördenurga Θ1 saate
leida, kui teleskoobi lõppasendi pöördenurga väärtusest Θ lahutate nullmurdumise nurga Θ0
väärtuse:
0 1=Θ−Θ
Θ . ( 7.1 )
Kruvi pööratava aluslaua
asendi fikeerimiseks Kruvi spektromeetri lauakese
asendi fikseerimiseks
Võre ja tema paigutus
Valgusallikas
Vernieri skaalad
Joonis 7.8. Difraktsioonvõre murdva nurga määramine.
6. Mõõtke vastavad nurgad vähemalt kolme maksimumi korral nii vasakule kui paremale. 7. Arvutage uuritava värvusega valguse lainepikkus λ järgneva seose abil:
n dsinΘ1
=
λ , ( 7.2 )
kus Θ1 on murdumisnurk, n vaadeldava maksimumi arv ja d võrekonstant.
8. Formuleerige järeldus. Võrrelge saadud tulemusi teatmikes antud värvuste lainepikkuste väärtustega ja hinnake viga. Juhul, kui valgusallikana kasutatakse pidevspektrit andvat valgusallikat, siis teostage mõõtmised ka mõne teise valguse värvuse määramiseks.
Murdumisnurk
Murdumisnurk
Lauakese täppisreguleerimiskruvi
Valgusallikas Nullmurdumine
Vaade läbi okulaari Pilu kujutis Vertikaalne märker joon
Vernier’i skaalad
II OSA: PRISMA KASUTAMINE
1. Lülitage sisse Hg-lamp. Parima töörežiimi saavutamiseks peab ta olema sisselülitatud vähemalt 10 minutit enne mõõtmiste teostamist.
2. Kui olete seadistanud spektromeetri nii nagu kirjeldatud antud eksperimendi II osas, siis kinnitage spektromeetri pööratavale aluslauale prisma. Fikseerige tema asend kinnitusklambri abil (joonis 7.9).
3. Paigutage Hg-lamp vähemalt 5 cm kaugusele kollimaatori pilust ja reguleeerige pilu laius võimalikult kitsaks.
Joonis 7.9. Prisma kinnitamine spektromeetri aluslauakesele.
4. Fikseerige Vernier’i skaalasid kasutades torude algasendid, st teleskoobi asend mittemurdunud kiire korral (joonis 7.10).
5. Selleks, et gradueerida prisma spektromeeter, tuleb eelnevalt kindlaks määrata prisma murdumise piirnurk. Fikseerige protokolli tabelisse 7.1 esmalt kasutatava prisma nurk A, mis on prisma murdva nurga väärtus.
6. Nüüd muutke teleskoobi asendit seda reguleerimiskruvist pöörates seni, kuni okulaarist vaadates on võimalik jälgida elavhõbedale iseloomulikku kiirgusspektrit, sest hõõguva auru kiirguses ei ole kõiki värve. NB! Jooned on tegelikult pilu kujutised eri värvides.
7. Esmalt nö skaneerige kogu spekter, teleskoopi reguleerimiskuvist pöörates. Seejärel viige okulaari märkerjoon ühte spektri otsa (valige ise). Nüüd alustage skaneerimist
Prisma kinnitusklamber
Valgus- allikas
täppisreguleerimiskruvi pöörates. Näidu lugemiseks peab märkerjoon asetsema võimalikult täpselt vastava värvusega joone peal.
Joonis 7.10. Katseseadme skeem prisma läbinud kiire kõrvalekalde nurga leidmisel spektromeetriga.
8. Fikseerige tabelis 7.1 vaadeldud esimese spektrijoone nurga väärtus ja arvutage järgnevat seost kasutades murdumisnäitaja n: 2 sin 2 sin A D A n + = , ( 7.3 )
kus D on minimaalne piirnurk. On mõistetav, et n muutub lainepikkuse muutudes, sest muutub ka
minimaalne piirnurk, kuid ta on konstantne iga erineva lainepikkuse jaoks.
9. Seejärel määrake ka teiste Hg-spektris olevate joonte murdumisnäitaja väärtused n (soovitatav on valida kõige intensiivsemad jooned). Märkige tabelisse 7.1 uuritava spektrijoone värvus ja hinnake visuaalselt selle intensiivsust (väga tugev, nõrk jne).
10. Kontrollige lainepikkuste vastavust tabeli andmetega. Formuleerige järeldus.
Valgus- allikas Mittemurtud kiir Nurk A Murdumis- nurk Murtud kiir
Tabel 7.1. Spektroskoobi gradueerimine
Katse nr A D Joone värvus Intensiivsus n Lainepikkus λ
(nm)
B. MONOKROMAATORI GRADUEERMINE HG-LAMBIGA TÖÖ EESMÄRK
1. Omandada monokromaatori gradueerimise meetod.
2. Määrata kindlaks tundmatu koostisega spektraallambi gaasi koostis spektraalanalüüsi meetodil.
TÖÖVAHENDID
Monokromaator, Hg-lamp, erinevad spektraaltorud, toiteallikas, spektrite kataloog, tundmatu gaasiga spektraallamp, alaldi, statiiv muhv, spektraallambi alus.
TEOREETILINE OSA
Spektraalanalüüsi teostamiseks võib kasutada ka nn monokromaatorit. Antud mõõteriistas muudetakse trumli pööramise abil prisma asendit sisendkiire suhtes. Selle tagajärjel on võimalik trumlit pöörates skaneerida kogu spekter.
Gradueerimiseks võib kasutada Hg-lampi. Sellel on väga rikkalik joonspekter, kus mõned väga hästi leitavad jooned (kollane dublett λ = 579,1 nm, λ = 577 nm, roheline λ = 546,1 nm, sinine λ = 435,8 nm, violetsed λ = 407,8 nm ja λ = 404,7 nm jt) on heaks pidepunktiks, et pikkamööda leida 5 – 10 paari „trumli näit - λ“ nn dispersioonkõvera joonistamiseks (joonis 7.11).
Spektraalanalüüsil kasutatakse erilisi spektrijoonte tabeleid või atlasi, milles on antud iga keemilise elemendi spektrijoonte täpne asukoht või sellele vastav lainepikkus. Sel juhul võrreldakse uuritava aine spektrit tuntud keemilise koostisega aine spektriga.
Selleks, et spektroskoopi saaks kasutada spektrijoonte lainepikkuste määramiseks, tuleb see enne gradueerida, st määrata teadaolevate lainepikkustega spektraaljoonte abil lainepikkuse ja trumli näidu sõltuvus (joonis 7.11 a) ja b)). Seejärel asendatakse teadaolev kiirgusallikas mõne tundmatu allikaga, fikseeritakse jällegi spektris sisalduvate joonte korral trumli näidud. Nüüd kasutatakse Hg-lambi korral koostatud dispersioonkõverat, mille põhjal leitakse vastavale trumlinäidule vastavad lainepikkused. Võrreldes eksperimendist saadud andmeid tabeli andmetega ning arvestades sealjuures uuritud spektris esinevate joonte lainepikkust, värvust ja intensiivsust, määratakse kindlaks, millise ainega on tegemist.
Teaduslikeks eesmärkideks koostatud tabelites joonete värvust ei märgita. Joone värvus kaotab spektri infrapunases ja ultravioletses osas mõtte. Sellistes tabelites märgitakse joonte suhtelised intensiivsused.
Joonis 7.11. Dispersioonkõver: a) teoreetiline, b) praktiliselt mõõdetud. Dispersioon kõver 0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 800,00 638 1858 2284 2460 2469 2910 Trummlinäit V a lg u s e l a in e p ik k u s Lambda= f(tummlinäit) 500 1000 700 600 500 Truml i λ (nm
B 1. Eksperiment 1: Monokromaatori gradueerimne Hg-lambi abil
TÖÖ KÄIK
1. Lülitage sisse Hg-lamp. Parima töörežiimi saavutamiseks peab ta olema sisselülitatud vähemalt 10 minutit enne mõõtmiste teostamist. Hg-lampi ärge kustutage enne, kui olete spektri uurmise lõpetanud.
2. Kinnitage lamp statiivile ja lähendage ta kollimaatori pilule võimalikult lähedale. Reguleerige kollimaatori pilu nii, et spektrijooned oleksid silmale sobiva heledusega.
3. Pöörake okulaari kuni saate spektraaljoonte teravad kujutised (nüüd võib veel kord pilu laiust sobitada). Jälgige, et joonte fikseerimise teravik on hästi nähtav. Trumli pööramise käigus veenduge, kas kõik spektraaljooned tumepunasest violetseni on nähtavad.
4. Spektroskoobi gradueerimiseks viige trummel niisugusesse asendisse, et teravik asub kõige vasakpoolsema tumepunase joone keskel. NB! Edaspidi tohib mõõtmisulemuste täpsuse huvides trumlit pöörata vaid ühes suunas.
5. Mõõtmistulemused kandke tabelisse 7.2.
6. Intensiivsuse iseloomustamiseks kasutage mõisteid: väga tugev, tugev, keskmine, nõrk, väga nõrk. Vajalikud lainepikkused leiate Hg-spektri tabelist.
7. Järgnevalt joonistage dispersioonikõver vastavalt tabelis 7.2 sisalduvatele andmetele teljestikus „trumli näit – lainepikkus“ (vt ka joonis 7.11 a) b)). Et Hg-lambil mitte asjatult põleda lasta, kandke graafikule punktid pliiatsiga orienteeruvalt, et näha, kas saate sujuva kõvera. Kui ei, siis kontrollige üle. Kui jaa, siis kustutage Hg-lamp. Esmalt kandke teljestikku tuntud joonte asukohad. Ülejäänud joonte määramisel arvestage, et kalibreerimiskõver on sile ja kõverus ühemärgiline. Seega kalibreerimise õigsuse tunnuseks on kõvera siledus ja kõigi joonte paiknemine kõveral.
Tabel 7.2. Hg-lambi spektrijooned.
B 2. Eksperiment 2: Tundmatu koostisega gaaslambi koostise kindlaks määrmine monokromaatoriga.
TÖÖ KÄIK
1. Lülitage sisse uuritav spektraaltoru ja asetage see kollimaatori pilu ette.
2. Järgnevalt toimige nii nagu on kirjeldatud Eksperimendi B.1 korral. Skaneerige võimalikult paljude antud aine spektris sisalduvate joonte korral trumlinäidu väärtused ja kandke need tabelisse 7.3.
3. Leidke spektrijoontele vastavad lainepikkused Hg-lambi dispersioonkõveralt, mille saite eelmisest eksperimendist.
4. Lõpuks võrrelge saadud lainepikkuste λ komplekti kataloogis olevatega.
5. Kvaliteetselt tehtud töö puhul leidke kataloogi abiga tundmatu aine. Formuleerige järeldus.
Tabel 7.3. Gaaslambis oleva tundmatu koostisega gaasi kindlaksmääramine.
Nr. Spektrijoone värvus
Intensiivsus Trumli näit Lainepikkus
λ (nm)
Aine nimetus
C. VALGUSE HAJUMINE
TÖÖ EESMÄRK
2. Gaasilistes ja vedelates keskkondades leviva valguse hajumise erinevate tekkemehhanismide katseline kontrollimine.
3. Erinevate oskuste omandamine valguse hajumise mõõtmiseks.
TÖÖVAHENDID
Valgusallikas (OS-9102C), optiline pink (OS-9103), nurgatranslaator (OS-9106A), 2 komponendihoidjat (OS-9107), kõrge tundlikkusega fotomeeter optilise kaabliga (OS-8020), laser 0,5 mW (SE-9367), klaasist anum (OS-9108), kalibreeritud polarisaator (OS-9109), punane filter (OS-9111), kollane filter (OS-9112), roheline filter (OS-9113), sinine filter (OS-9114), fotomeetri apertuur (OS-9116), lääts f=18 mm (OS-9132), lääts f=48 mm (OS-9133).
TEOREETILINE OSA
Miks on taevas sinine? Miks õhtutaevas on punane? Kui vaatame taevast läbi polaroidi, siis märkame, et valgus on lineaarselt polariseeritud. Kuidas see on võimalik?
Nimetatud nähtused on seotud valguse hajumisega atmosfääris. Hajumise tekke mehhanismi poolest liigitatakse hajumist: Rayleigh’i hajumine ja Mei hajumine. Viimast seostatakse keskkonnas leviva valguse ja keskkonna vahelise difraktsiooninähtusega.
Rayleigh’i hajumine esineb looduses tihemini. Lord J. Rayleigh näitas juba sajand tagasi (1871), et valguse hajuvus atmosfääris on pöördvõrdeline lainepikkuse neljanda astmega. Võttes punase valguse keskmiseks lainepikkuseks 0,7 µm, sinisel aga 0,4 µm, saame, et sinine hajub punasest (0,7/0,4)4 = 9 korda rohkem. Need otseteelt kõrvalekaldunud sinise valguse footonid võivad veel korduvalt hajuda enne, kui kellelegi silma satuvad. Järelikult, kui õhuosakeste arv suureneb, siis murdub valgus suurema nurga all. Loomulikult avaldab kogu protsessile mõju ka osakeste endi läbipaistvus.
Järelikult on Rayleigh’i hajumine see, mis põhjustab taeva sinise värvuse. Esialgu arvati, et valgus hajub õhus olevatel mikroskoopilistel tolmuosakestel ja veepiiskadel. 1899. aastal esitas Rayleigh hüpoteesi, et hajumistsentriteks on õhu molekulid. 20. sajandi esimesel poolel tehti kindlaks, et valgus ei haju mitte otseselt molekulidel, vaid nende kaootilisest liikumisest tingitud tihendustel ja hõrendustel. Kui päikeselt tulev valgus põrkab kokku atmosfääri moodustava molekuliga (joonis
b). Tekkiv võnkumine on lahutatav kaheks komponendiks: üks toimub x-telje sihis ja teine y-telje sihis, mis moodustavad miniatuurse antenni, mille kiirguse siht on risti võnkumiste sihiga. Nagu jooniselt võib näha, hajub valgus xy-tasandi sihis. Seejuures,valguse üks komponent põrkub tagasi sellelt, mis on lineaarselt polariseeritud.
a) b)
Joonis 7.12. a) Raylight’i hajumine on dipolaarne –polarisatsioon ja b) molekuli pealt peegeldumine ja murdumine
Antud tingimustes on atmosfääris olevate molekulide võnkumine nn võimendatud võnkumine. Järelikult, kui langeva valguse sagedus läheneb molekuli omavõnkesagedusele (resonantssagedusele), siis võnkumise amplituud suureneb. Üldiselt jääb nähtava valguse sagedus maha atmosfääri molekulide resonantssagedusest. Järelikult, mida kõrgem on langeva valguse sagedus (sinisele valgusele lähemal), seda suurem on hajunud valguslaine amplituud. Seega on sinine valgus rohkem hajunud kui punane valgus.
Päeval peegeldub sama sinine hajunud valgus tagasi ka atmosfääris paiknevatelt teistelt osakestelt. Õhtul ja hommikul, madalal horisondi kohal tuleb päikesekiirtel atmosfääris läbida tunduvalt pikem tee kui keskpäeval, järelikult sinist valgust hajub rohkem. Seega ükskõik kuhu vaatad, sinist valgust tuleb ikka. Seevastu suurema lainepikkusega valgus pääseb õhukihist ilma oluliste kaotusteta läbi. Järelikult, kui valgest valgusest lahutada sinine ja selle läheduses paiknevad värvused, siis järgi jäävad kollane ja punane (joonis 7.13).
Päikese valgus
Atmosfääri osakesed
Hajunud valgus
Joonis 7.13. Valge valguse hajumine atmosfääris.
Joonis 7.14. Valge valguse levimine atmosfääris Päikese kahe asendi korral: (1)
keskpäeval ja (2) loojangul.
Kui võrrelda valguskiirte teid 1 ja 2 (joonisel 7.14), siis märkame, et mida pikem tee, seda rohkem hajub ka sinist valgust ja suurema ülekaalu otse tulevas valguses saavutab punane. Pilved näivad valgetena seetõttu, et veepiisad või jääkristallid, mis neid moodustavad, on piisavalt suured, et hajutada kõiki valge valguse komponente. Mida paksem on pilv, seda rohkem valgust temas neeldub ja seda tumedam ta paistab. On loomulik, et osa pilvedele langevast valgusest peegeldub tagasi ning hajub seeläbi atmosfääris korduvalt. Samas mõjutavad pilved ka seda, miks vaatleja näeb õhtutaevast punakates toonides ning Päike paistab madalal horisondi kohal punase kettana.
Käesolevas eksperimendis kasutatakse piima ja uuritakse valguse hajumist piimaosakestelt. See on kombinatsioon Raylight’i ja difraktsioonhajumisest. Juhul, kui muuta uuritavas vedelikus sisalduvate oskeste suurust, siis ilmnevad ka muutused valguse hajumises. Selle efekti jälgimiseks on soovitatav kasutada kontsentreeritud hõbenitraadi vesilahust.
NB! Võimaluse korral korrake katset kontsentreeritud hõbenitraadi vesilahusega ning asendage tavaline valgusallikas laseriga, mis võimaldab uurida hajumist ühel kindlal lainepikkusel.
TÖÖ KÄIK
1. Seadke katseseadmed üles nii nagu joonisel 7.15. Selleks asetage valgusallikas ja nurgatranslaator optilisele pingile. Kinnitage apertuurmask komponendihoidjale ja paigutage optilisele pingile nii, et ta jääb valgusallika ja nurgatranslaatori vahele.
Joonis 7.15. Katseseadmete paigutus valguse hajumise uurimisel vedelikes.
2. Täitke klaasanum veega, lisage sinna mõni kuupsentimeeter piima, et lahus oleks pisut hägune. Seejärel asetage anum nurgatranslaatori pööratavale aluslauale.
3. Seadke apertuurmask ja anuma positsioon nii, et valguskiir langeks risti anuma seinale.
4. Kinnitage fotomeetri fiiberoptiline kaabel vastavasse avasse nurgatranslaatori statiivil. Paigutage statiivi tagumisele komponendihoidjale fotomeetri apertuur.
5. Fotomeetri abil mõõtke valguse intensiivsust vähemalt 6 erinevas punktis ümber anuma. Ruum peab olema pime või väga vähe valgustatud! Tulemused kandke tabelisse 7.4.
6. Asetage üks valgusfiltritest valgusallika ette ning mõõtke samade nurkade korral valguse intensiivsus ümber anuma. Tulemused kandke tabelisse 7.4.
7. Teostage mõõtmised kõigi filtritega ja kujutage graafiliselt funktsioonid I = f(Θ), mis kirjeldavad valguse intensiivsuse sõltuvust mõõdetavast nurgast Θ.
8. Formuleerige järeldus ja põhjendage toetudes katse tulemustele, milline valgus hajub kõige enam. Lääts Valguse apertuur Valgusallikas Optiline pink Optiline kaabel ja tema ühendus Fotomeeter Nurgatranslaator Klaasanum Värvusfilter
Tabel 7.4. Valguse hajumise uurimine
Katse nr
Filter nurk Θ I Filter nurk Θ I
KÜSIMUSED
1. Kuidas oleks võimalik ennustada ilma õhtutaevast jälgides? 2. Mis värvi on taevas väljaspool atmosfääri?
