Esperimenti di ottica fisica mediante l’uso dello spettrogoniometro di Bunsen

Antonio VecchioneConsiglio Nazionale delle Ricerche e

Dipartimento di Fisica dell’Università di Salerno

Lo spettrogoniometro di Bunsen

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Operazioni preliminari per le misureMessa a livello dello spettrogoniometro

Lo spettrogoniometro e il piano dello spettrogoniometro devono essere allo stesso livello.

Porre lo spettrogoniometro su una superficie piana. Se necessario, utilizzare della carta messa sotto la base di legno fino a che la base fissa dello spettrogoniometro è a livello.

Mettere il piano dello spettrogoniometro a livello agendo sulle tre viti zigrinate di regolazione situate al di sotto della base fissa (1).

Mirando con il cannocchiale, fare scivolare l'oculare all’indietro fino a che l'incrocio di fili sia perfettamente netto.

Staccare l'anello di chiusura della griglia a croce (14) e farlo girare finché uno dei fili dell'incrocio sia verticale. Bloccare nuovamente l'anello di chiusura e ripetere la messa a punto se necessario.

Regolare il fuoco della lente all’infinito azionando il bottone di messa a puntodel cannocchiale (13) e puntando su un oggetto lontano.

Aprire parzialmente la fenditura del collimatore utilizzando la vite di regolazione della larghezza della fenditura (9). Allineare il cannocchiale direttamente di fronte al collimatore come mostra la fig.3.

Messa a punto dello spettrogoniometro

Lo spettrogoniometro e il piano dello spettrogoniometro devono essere allo stesso livello.

Porre lo spettrogoniometro su una superficie piana. Se necessario, utilizzare della carta messa sotto la base di legno fino a che la base fissa dello spettro-goniometro è a livello.

Mettere il piano dello spettrogoniometro a livello agendo sulle tre viti zigrinate di regolazione situate al di sotto della base fissa (1).

Messa a punto dello spettrogoniometro

Mirando con il cannocchiale, fare scivolare l'oculare all’indietro fino a che l'incrocio di fili sia netto.

Staccare l'anello di chiusura della griglia a croce (14) e farlo girare finché uno dei fili dell'incrocio sia verticale. Bloccare nuovamente l'anello di chiusura e ripetere la messa a punto se necessario.

Regolare il fuoco della lente all’infinito azionando la messa a fuoco del cannocchiale (13) puntando su un oggetto lontano.

Aprire parzialmente la fenditura del collimatore utilizzando la vite di regolazione della larghezza della fenditura (9).

Allineare il cannocchiale direttamente di fronte al collimatore come mostra la fig.3.

Messa a punto dello spettrogoniometro

Prendere la mira con il cannocchiale, regolare il fuoco del collimatore e, se necessario, la rotazione della base del cannocchiale (11), fino ad ottenere un'immagine netta della fenditura. Non modificare la messa a punto del cannocchiale.

Chiudere la vite di bloccaggio della rotazione del cannocchiale (11). Con l’aiuto della molletta di regolazione fine, allineare poi il tratto verticale della griglia a croce al lato fisso della fenditura. Se la fenditura non è verticale, aprite la barra di bloccaggio della fenditura, allineate la fenditura e chiudete di nuovo la barra di bloccaggio.

Aggiustate la larghezza della fenditura in modo da ottenere un’immagine chiara e brillante (9).

Messa a punto dello spettrogoniometro

Allineamento dello spettrogoniometro

In genere il buon allineamento dello spettrogoniometro è mantenuto indefinitamente. Tuttavia se la messa a punto corretta dell’apparecchio non è riuscita come descritto più su, può essere necessario regolare gli assi ottici del collimatore e del cannocchiale. Per fare ciò procedere come segue:

Il cannocchiale e il collimatore girano attorno ad un punto d'appoggio sulle loro rispettive colonne (vedere la figura 4).

Regolare le viti di livello di ogni colonna alla sua base, per mezzo di una chiave a sei lati di alluminio fornita con gli accessori.

Far girare una vite, lasciando l'altra bloccata, fino a che l'apparecchio risulta a livello. Per azionare la vite del collimatore, è necessario togliere lo spettrogoniometro dalla sua base di legno.

Per assicurarsi che i due insiemi ottici siano perpendicolari all'asse di rotazione, seguire la procedura di messa a punto descritta sopra regolare le colonne di appoggio fino a che l'immagine della fenditura sia bene centrata nel campo di visione del cannocchiale.

Messa a punto dello spettrogoniometro

Determinare θ0:

guardare attraverso l’oculare del cannocchiale e allineare innanzitutto il tratto verticale della griglia (a croce) sul lato fisso dell'immagine della fenditura, dovuta alla luce del fascio non deviato.

Leggere la misura sulla scala con nonio.

Misurare θ:

far girare il cannocchiale in corrispondenza di un fascio di luce deviato e allineare anche questa volta il tratto verticale della griglia (a croce) sul lato fisso dell’immagine della fenditura.

Leggere la misura sulla scala con nonio.

Calcolare l’angolo di diffrazione θ - θ0

Misura di angoli di diffrazione

Il reticolo deve essere sistemato in posizione perpendicolare al raggio luminoso incidente, proveniente dal collimatore.

Il cannocchiale deve trovarsi nella direzione frontale del collimatore con un’immagine della fenditura netta e allineata con il tratto verticale della griglia (fig.3).

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di reticoli

Aprire la vite di bloccaggio dello spettrogoniometro (fig.7).

Allineare il tratto inciso sul piano dello spettrogoniometro in modo che sia il più possibile sulla stessa linea degli assi ottici del cannocchiale e del collimatore.

Chiudere la vite di bloccaggio.

Con l’aiuto delle viti zigrinate fissare la montatura del reticolo in modo che essa risulti perpendicolare ai tratti incisi.

Introdurre il reticolo di diffrazione nelle pinze della montatura.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di reticoli

Per verificare l’orientamento del reticolo, riguardare una sorgente luminosa attraverso il reticolo e osservare come riesce a disperdere la luce nelle sue diverse componenti.

Una volta sistemato nella sua montatura il reticolo deve irraggiare i colori della luce incidente orizzontalmente in modo che la rotazione del cannocchiale permetta di visualizzare immagini della fenditura di colori diversi.

Sistemare una sorgente luminosa ( in genere si preferisce una sorgente a spettro discreto come una lampada a vapori di mercurio o di sodio ) ad 1 cm circa dalla fenditura. Aggiustare la larghezza della fenditura fino ad ottenere un’immagine brillante e netta della fenditura stessa.

Se necessario, aggiustare l’altezza del piano dello spettrogoniometro per centrare l’immagine della fenditura nel campo di visione del cannocchiale.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di reticoli

Girare il cannocchiale fino ad ottenere un’immagine della fenditura brillante. Allineare il tratto verticale della griglia a croce con il lato fisso dell’immagine e misurare accuratamente l’angolo di diffrazione.

Il reticolo di diffrazione diffrange la luce incidente, dando degli spettri identici da una parte e dall’altra della linea del fascio non deviato. Girare per riportare il cannocchiale al di là dell’angolo di diffrazione zero fino a trovare l’immagine corrispondente della fenditura. Misurare l’angolo di diffrazione corrispondente a questa immagine.

Se il reticolo di diffrazione è perfettamente allineato, gli angoli di diffrazione corrispondenti a delle immagini simmetriche della fenditura, sono identici.

In caso contrario, agire sulla molletta di regolazione fine della rotazione del piano per compensare lo scarto (cioè per allineare il reticolo perpendicolarmente al fascio del collimatore in modo che i due angoli siano uguali).

Ripetere i passi precedenti finché gli angoli corrispondenti alle immagini simmetriche della fenditura siano uguali a 1 minuto d’arco vicino.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di reticoli

Una volta allineato il reticolo bisogna non fare girare più il piano girevole o la sua base. (Per il fatto che le scale con nonio sono state mosse in occasione della messa a punto del piano dello spettrogoniometro, il punto di diffrazione zero deve essere misurato nuovamente).

Le lunghezze d’onda saranno determinate per mezzo della formula seguente:

dove λ = lunghezza d’onda, a = passo del reticolo di diffrazione ( a = 3,3 x 10-3 mm. per il reticolo a 300 linee per millimetro oppure 1,66 x 10-3 mm. per il reticolo a 600 linee per millimetro), θ = angolo di diffrazione, n = ordine dello spettro di diffrazione in corso di osservazione.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di reticoli

Le immagini della fenditura formate col prisma sono generalmente più brillanti di quelle ottenute con un reticolo e pertanto esso è più utile quando i raggi spettrali sono molto flebili.

Sfortunatamente la brillantezza dei raggi spettrali aumenta a scapito della risoluzione, perché il prisma non separa i diversi raggi tanto efficacemente quanto il reticolo. Tuttavia, i raggi più brillanti permettono di utilizzare una larghezza di fenditura più stretta e ciò compensa in parte la perdita della risoluzione.

Con un prisma, l’angolo di diffrazione non è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda della luce. Di conseguenza per misurare le lunghezze d’onda è necessario costruire una curva di taratura (di lunghezza d'onda in funzione dell'angolo di rifrazione), utilizzando una fonte luminosa di spettro conosciuto.

Le lunghezze d’onda dei raggi spettrali sconosciuti possono essere allora interpolate a partire da questa curva.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di prismi

Dopo aver stabilito una curva di taratura per il prisma, le misure delle altre lunghezze d’onda saranno valutabili soltanto se eseguite esattamente con lo stesso allineamento del prisma utilizzato in occasione della costruzione della curva.

Per assicurarsi che questo allineamento è riproducibile, tutte le misure si eseguono con il prisma allineato in modo che la luce sia rifranta secondo l’angolo di deviazione minima.

Angolo di deviazione minima

Per una data lunghezza d’onda della luce che attraversa un dato prisma, esiste un angolo d’incidenza caratteristico per il quale l’angolo di deviazione D è minimo. Questo angolo dipende unicamente dall’indice di rifrazione n del prisma e dall’angolo (indicato con A in figura 9 ) fra le due facce del prisma.Dato che n varia in funzione della lunghezza d’onda, anche l’angolo di deviazione minima varia, ma esso è costante per una lunghezza d'onda data qualunque.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di prismi

La relazione tra queste variabili è data dall'equazione seguente:

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di prismi

Misura dell’angolo di deviazione minima

Allineare e fare la messa a punto dello spettrogoniometro come già descritto

Allineare il tratto verticale della griglia a croce del cannocchiale con il lato fisso del fascio non deviato, misurare quindi accuratamente l’angolo del cannocchiale tramite la scala a nonio di quest’ultimo.

Con l’aiuto delle viti zigrinate, fissare la briglia del prisma sul piano dello spettrogoniometro e imbrigliare il prisma al suo posto come mostra la fig.10.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di prismi

Sistemare la sorgente luminosa a qualche centimetro dietro la fenditura del collimatore (può essere utile oscurare il posto, ma ciò non è generalmente necessario, quando si usa il prisma).

Il prisma permette generalmente di vedere la luce rifranta ad occhio nudo. Reperire la direzione della luce rifranta, poi allineare il cannocchiale e il piano dello spettrogoniometro in modo da poter visualizzare l’immagine della fenditura riguardando nel cannocchiale.

Sempre riguardando nel cannocchiale, far girare il piano dello spettrogoniometro secondo un lento movimento di va e vieni. Notare che l’angolo di rifrazione del raggio osservato cambia. Far girare il tavolo dello spettro-goniometro fino all’angolo minimo, poi far girare il cannocchiale per allineare il tratto verticale della griglia a croce sul lato fisso dell’immagine della fenditura. Utilizzare le mollette di regolazione fine per fare queste regolazioni con la più grande precisione possibile, poi misurare l’angolo del cannocchiale con l’aiuto della scala a nonio di quest’ultimo.

La differenza fra questo angolo e quello ottenuto per il fascio non diffranto alla tappa 2 corrisponde all’angolo di deviazione minima.

Misura delle righe dello spettro di un gas inertecon l’uso di prismi