Esperimenti di ottica fisica mediante
l’uso dello spettrogoniometro di Bunsen
Antonio Vecchione
Consiglio Nazionale delle Ricerche e
Dipartimento di Fisica dell’Università di Salerno
Lo spettrogoniometro di Bunsen
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Operazioni preliminari per le misure
Messa 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).
Messa a punto dello spettrogoniometro
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 punto
del 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).
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:
Messa a punto dello spettrogoniometro
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.
Misura di angoli di diffrazione
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 delle righe dello spettro di un gas inerte
con l’uso di reticoli
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 inerte
con 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 inerte
con 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 inerte
con 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 inerte
con 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 inerte
con l’uso di prismi
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 inerte
con 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 inerte
con l’uso di prismi
La relazione tra queste variabili è data dall'equazione seguente:
Misura delle righe dello spettro di un gas inerte
con 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 inerte
con 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.