Laboratorio di fisica - il monocromatore

Gruppo 7: ConciCulmone, Dapor. Monocromatore

Obiettivi

Lo scopo dell'odierna esperienza di laboratorio è quello di familiarizzare con lo strumento ottico detto monocromatore ed utilizzarlo per valutare la qualità di alcuni filtri a nostra disposizione.

Materiale

• Monocromatore
• Lampada spettrale a mercurio
• Lampada alogena
• Filtri di diverse qualità ed uso

Descrizione della strumentazione utilizzata

Il monocromatore è uno strumento ottico capace di separare le diverse lunghezze presenti in un fascio luminoso sfruttando il fenomeno della rifrazione. Esso è altresì in grado, attraverso un fotomoltiplicatore, di dare una misura relativa dell'intensità luminosa per ogni singola lunghezza d'onda rilevata. Il raggio uscente dalla lampada al mercurio viene riflesso da un sistema di specchi e fatto passare attraverso un reticolo per la diffrazione. Poiché il reticolo può ruotare ad ogni angolo differente verrà visualizzata una diversa lunghezza d'onda in uscita. Il fotomoltiplicatore trasforma la luce in segnale elettrico (di cui si può misurare l'intensità) regolabile.

I parametri che possono essere controllati dallo sperimentatore sono le lunghezze d'onda iniziale e finale su cui eseguire la scansione, la velocità di scansione (ossia ogni quanti nm viene effettuata la misurazione) e il tempo di esposizione di ogni singolo raggio al fotomoltiplicatore. Più la velocità di scansione è bassa e lungo il tempo di esposizione, migliore è la misura effettuata. Un altro parametro regolabile è la grandezza della fenditura da cui esce il raggio dal monocromatore: se la fenditura è troppo larga si rischia di raccogliere diverse lunghezze d'onda sommate, se invece è troppo stretta l'intensità del raggio è molto bassa e richiede quindi un tempo d'esposizione maggiore. Bisogna infine tener conto che l'elemento sensibile del fotomoltiplicatore (ciò che trasforma la luce in elettricità) è attivo anche in assenza di luce (per esempio per effetto termico), quindi dai dati andrà opportunamente sottratta la cosiddetta "luce di buio".

Raccolta dati

Una volta impostati i parametri iniziali, viene fatta una prima scansione dello spettro completo dei raggi emessi dalla lampada a mercurio che servirà per la taratura dello strumento. Poi eseguiamo delle misurazioni su di una parte dello spettro variando l'ampiezza della fenditura per apprezzarne l'effetto. Infine eseguiamo una misurazione con una lampada alogena interponendo tra la lampada ed il monocromatore dei filtri di varia natura per verificarne la qualità.

Tutti i parametri vengono impostati attraverso un calcolatore collegato direttamente al monocromatore che poi restituisce automaticamente i risultati ottenuti in una tabella.

Taratura dello strumento

Per prima cosa è necessario capire se le lunghezze d'onda iniziale e finale impostate prima della misura siano quelle effettive. Poiché conosciamo le lunghezze d'onda dei raggi emessi dalla lampada al mercurio, basterà confrontarli con lo spettro rilevato dal monocromatore e, se necessario, fare un'opportuna correzione che andrà poi ripetuta anche per tutte le altre misure.

La misurazione viene fatta con i seguenti parametri:

• Distanza fenditure 0,5 mm
• Lunghezza d'onda iniziale 400 nm
• Lunghezza d'onda finale 700 nm
• Velocità di scansione 2 nm
• Tempo esposizione 1 sec

Una volta ottenuti i dati, viene fatta una media sui dati dell'intensità luminosa in cui non vi sono picchi per individuare il valore medio della luce di buio, che viene in seguito sottratta a tutti i valori di intensità. Poi tali valori vengono normalizzati a 1 (cioè si fa in modo che il picco più alto abbia valore 1), indi si disegna un grafico dell'intensità luminosa in funzione della lunghezza d'onda.

Grafico

Spettro della lampada a mercurio

Intensità luminosa

• 1,0
• 0,8
• 0,6
• 0,4
• 0,2
• 0,0

Lunghezza d'onda: 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 nm

I picchi visualizzati rappresentano le diverse lunghezze d'onda dei raggi che la lampada al mercurio emette. Per tarare lo strumento si confrontano le lunghezze d'onda teoriche e quelle misurate per i picchi presenti sul grafico. La media degli scarti sarà poi l'indicatore della precisione della misura.