Notice. Spectrogoniomètre. Présentation. 1. Introduction. 2. Contenu de l'emballage. Fig. 1

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1 Notice Spectrogoniomètre Fig. 1 Présentation 1. Introduction L'impact indubitable s méthos d'étu la structure s matériaux sur la science et sur la technologie morne fait que la spectroscopie occupe une place importante dans l'équipement tout laboratoire. L étu la spectroscopie se limite, en début cycle, à l aspect ondulatoire la lumière et certaines autres émissions, si importantes pour la physique quantique, par exemple la série "Balmer" dans l hydrogène. L introduction, dans les laboratoires l enseignement secondaire et supérieur, plusieurs expériences spectroscopie, est fortement recommandée. 2. Contenu l'emballage Spectrogoniomètre Alimentation 220 V et son dispositif d éclairage Notice 1

2 Caractéristiques 1. Rappels théoriques Dans le vi, la lumière se propage toujours à la même vitesse, quelle que soit son intensité ou sa composition spectrale. La fréquence la lumière, ν, ne varie pas quand le rayon passe d un milieu à un autre. Par contre, la célérité la lumière, c (vitesse phase), dans les matériaux et donc la longueur d on ceux-ci λ = c / ν, dépennt la fréquence. Dans ces conditions et en ce qui concerne la lumière visible, la vitesse propagation décroît continuellement quand la fréquence augmente, c est à dire qu elle décroît quand on passe du rouge au jaune, au vert, au bleu, au violet. On peut alors observer, dans différents milieux propagation, le phénomène dispersion la lumière. Si l on considère la lumière blanche comme un mélange différentes couleurs ou fréquences, lorsqu elle se réfracte, ses composantes subissent s déviations différentes et les différentes couleurs qui la composent apparaissent. Les appareils stinés à l étu s spectres sont appelés spectroscopes ou spectromètres Sur la figure n 1, on peut observer l appareil cité précémment et, sur la figure n 2 est présenté un schéma s différentes parties celui-ci. Nous allons maintenant le décrire. 2. Description du spectrogoniomètre didactique Cet instrument possè un pouvoir résolution spectrale supérieur à 0,6 nm, qui permet distinguer les raies D 1 et D 2 du sodium. Son cercle goniométrique a un diamètre 180 mm. Il est gradué en grés 0 à 360 au pas 0,5 et dispose d un double vernier permettant lire s angles à la minute près Le collimateur (19) possè une fente (16) réglable au moyen d une vis moletée (17). Quand on fait tourner celle-ci dans le sens s aiguilles d une montre, la fente s agrandit. Elle se trouve dans le plan focal d une lentille convergente. Le rôle essentiel du collimateur et faire parvenir au prisme ou au réseau diffraction, placés au centre du plateau porte-objet (21), un rayon lumière parallèle qui porte l information optique provenant la fente (16). Le collimateur se trouve dans une position fixe et il est relié au support du spectrogoniomètre. La lunette d observation (1) repose sur un axe mobile autour du centre du spectrogoniomètre. Elle possè une vis blocage (non représentée sur la figure 2) et une vis réglage fin (9). On pourra facilement déterminer la position angulaire la lunette en s aidant du vernier (11) et la loupe associé (12). On pourra mettre au point l image obtenue la fente (lorsque la lunette et le collimateur face à face) au moyen la vis réglage l oculaire (4). Enfin, au moyen l oculaire (3), on met au point très nettement le réticule qui servira référence pour les mesures. La lunette et le collimateur sont tous ux montés sur s supports munis vis permettant régler à la fois leur position verticale et horizontale. Le plateau porte-objet (21), dont le diamètre est 70 mm, dispose vis moletées qui garantissent que le niveau est respecté à tout moment. 2

3 Fig. 2 (1) Lunette (2) Dispositif d éclairage (3) Oculaire (4) Vis réglage l oculaire (5) Vis réglage en hauteur la lunette (6) Vis d ajustage pour compensation s défauts d alignement (7) Bloc alimentation pour le dispositif d éclairage (8) Support réseau ou miroir (9) Vis réglage fin la lunette (10) Vis blocage du disque gradué (11) Vernier (12) Loupe permettant la lecture du vernier (13) Vis d ajustage pour compensation s défauts d alignement (14) Vis réglage en hauteur du collimateur (15) Limiteur fente réglable (16) Fente réglable (17) Vis micrométrique réglage la largeur la fente (18) Vis blocage du coulisse porte-fente (19) Collimateur (20) Vis d ajustage pour décalage latéral du collimateur (21) Plateau porte-objet (22) Prisme flint (23) Disque gradué ou cercle goniométrique (24) Vis d ajustage pour décalage latéral la lunette 3

4 Utilisation 1. Montage A l intérieur l emballage, vous trouverez plusieurs éléments : - un carton contenant le spectrogoniomètre, à l intérieur duquel on trouvera une platine, un collimateur, une lunette, un prisme et son support, un support réseau et une lame verre - une alimentation 220V et son dispositif d éclairage Pour procér au montage suivez les instructions suivantes : - Prendre le collimateur et fixez-le sur la partie fixe la platine support, au moyen s vis d ajustage pour décalage latéral (20). On veillera à ce que la vis blocage du coulisse porte-fente (18) soit située sur le haut - Prendre la lunette et fixez-la sur la partie mobile la platine support, au moyen s vis d ajustage pour décalage latéral (24). On veillera à ce que la vis réglage l oculaire soit située sur la gauche - Retirez ensuite l oculaire (3) - Placez le dispositif d éclairage (2) sur la lunette (1) - Repositionnez l oculaire en vous assurant que l orifice situé sur le corps l oculaire soit disposé vers le bas - Bloquez l ensemble au moyen la vis située sur le haut du dispositif d éclairage. - Connectez ensuite le dispositif d éclairage (2) au bloc d alimentation (7), raccordé au secteur - Placez le prisme dans son support et fixer l ensemble au moyen la vis située sur le ssus du support 2. Mise au point du spectrogoniomètre - Il s agit dans un premier temps faire la mise au point la lunette sur le réticule en faisant glissant d avant en arrière l oculaire (3) pour que le réticule soit net. On pourra mettre en marche le bloc alimentation et le dispositif d éclairage pour bien visualiser le réticule. - Réglez ensuite la focale la lunette à l infini en opérant sur la vis réglage l oculaire (4). Pour cela, visez un objet lointain et faites la mise au point pour que celui-ci soit vu nettement 4

5 - Lorsque cette mise au point est ainsi faite, ne touchez plus au réglage la lunette. - Aligner ensuite le collimateur (19) et la lunette (1). - Visez dans lunette et vérifiez que vous obtenez une image nette la fente (16). Attention à agir sur le limiteur fente réglable (15) en faisant glisser l ergot vers l extérieur pour faire apparaître la fente dans son intégralité. - Serrez la vis blocage la lunette (cette vis ne figure pas sur le schéma précént, elle se situe à droite la lunette, sur le base la platine). - Il faut désormais aligner le trait vertical du réticule sur la partie fixe la fente (partie gauche). Pour cela, il faut opérer sur la vis réglage fin la lunette (9). Pour une plus gran facilité lecture, on pourra mettre en œuvre le dispositif d éclairage - Si la fente et le trait vertical ne sont pas parallèles, on dévissera la vis blocage du coulisse porte-fente (18) et on fera pivoter la fente (16) jusqu à obtention du bon alignement. 3. Mise en marche. Exemples expérimentaux 1. Mesure l angle réfraction d un prisme (figure 3) Collimateur Table porte-prisme Lunette Face dépolie du prisme Fig. 3 - Après avoir procér à la mise au point du spectrogoniomètre comme indiquée dans le paragraphe précént, placer une source lumineuse face à la fente (16) du collimateur (19). Il peut être nécessaire faire l obscurité dans la pièce. - Repérez la position la lunette sur le disque gradué (23) à l ai du vernier (11) et la loupe (12) 5

6 - Disposez le prisme, positionné dans le porte-prisme, sur le plateau porte-objet (21) sorte que l arête réfringente du prisme soit dirigée en direction du centre du collimateur (19) comme indiqué sur la figure 3. - Faites tourner la lunette (ou vers la droite ou vers le gauche) jusqu à ce que l image la fente (16) située sur une face latérale du prisme soit visible au centre du réticule - Bloquez alors la lunette et opérez à l ai la vis réglage fin la lunette (9) pour aligner le trait vertical du réticule sur la partie fixe la fente - Lire ensuite la graduation correspondante sur le disque gradué (23) à l ai du vernier (11) et la loupe (12) - La valeur l angle recherché correspond donc à la différence entre les 2 valeurs lues. Cet angle sera noté φ. 2. Angle minimal déviation (figure 4) Collimateur Table porte-prisme Face dépolie du prisme Lunette Fig. 4 - Eclairez la fente (16) avec une lampe spectrale à vapeur sodium (par exemple au moyen d une lampe spectrale au sodium) - Disposez le prisme, positionné dans le porte-prisme, sur le plateau porte-objet (21) comme indiqué sur la figure 4 (la face dépolie du prisme est la face non traversée par les rayons). - Regarz à l œil nu, au travers l une s faces du prisme, la lumière réfractée - Tournez alors lentement le plateau porte-objet (21) selon un léger mouvement va-etvient et suivre le déplacement l image la fente. La position déviation minimale la fente intervient lorsque le déplacement l image la fente change sens. - Bloquez alors la lunette et opérez à l ai la vis réglage fin la lunette (9) pour aligner le trait vertical du réticule sur la partie fixe la fente - Lire alors la graduation correspondante sur le disque gradué (23) à l ai du vernier (11) et la loupe (12) 6

7 - Retirez le porte prisme (22) et alignez la lunette et le collimateur - Bloquez alors la lunette et opérez à l ai la vis réglage fin la lunette (9) pour aligner le trait vertical du réticule sur la partie fixe la fente - Lire alors la graduation correspondante sur le disque gradué (23) à l ai du vernier (11) et la loupe (12) - L angle minimal déviation correspond à la différence entre ces 2 valeurs lues. Cet angle sera noté δ. On peut alors calculer l indice réfraction du prisme, n, qui est en général indiqué pour la lumière au sodium est se calcule comme suit : δ + φ sin n = 2 φ sin 2 Pour la raie D du sodium, λ = 589 nm. Pour le verre Crown BK7, la valeur est n D = 1,517. Pour le verre Flint F 2 elle est : n D = 1, Détermination la dispersion Eclairer la fente (16) avec la lumière du jour. Fermer la fente (16) au moyen la vis micrométrique (17) jusqu à ce que les raies du spectre soient parfaitement visibles. Déterminer l angle minimal déviation pour la raie rouge F, longueur d on ν = 486 nm, et pour la raie verte C, longueur d on ν = 656 nm. Utiliser les valeurs φ (comme il a été déterminé précémment) et la déviation dans la formule l indice réfraction n ci-ssus. On peut ainsi trouver n F et n C. La dispersion se calcule ainsi : δ = n n F C En ce qui concerne le verre Crown BK7 δ vaut 0,008 et pour le verre Flint F 2, δ vaut 0, Courbe d'étalonnage du spectrogoniomètre A partir l observation s raies spectrales certains éléments connus, on peut faire correspondre la graduation du spectrogoniomètre avec les valeurs la longueur d on ces raies spectrales et ainsi établir la courbe d étalonnage l appareil. 7

8 Avant réaliser une expérience quelconque, il faudra réaliser l étalonnage l instrument en suivant les instructions suivantes : 1. Connecter une lampe au sodium et attendre quelques minutes pour qu elle se stabilise. 2. Envoyer le rayonnement provenant la lampe sur la fente (16) du spectrogoniomètre. La lampe sera placée à environ un centimètre la fente 3. Chercher les raies correspondant au spectre du sodium à l ai la lunette (1) puis, avec la vis (4) et l oculaire (3) mettre au point sur ces raies. 4. Choisir l ouverture la fente (16) qui convient le mieux : faire telle sorte qu elle permette d observer nettement les ux raies jaunes caractéristiques du sodium. Si l appareil n a pas un pouvoir résolution suffisant, centrer la ligne jaune en question et considérer que sa longueur d on est la valeur moyenne s raies D 1 et D 2 (589,3 nm). 5. Situer les différentes raies et noter, dans le tableau suivant, leurs positions sur la graduation du spectrogoniomètre. Spectre d émission du sodium Longueur d on (nm) Position angulaire Na D 1 589,6 Na D 2 589,0 D + D ( ) 2 Na ,3 Utiliser cette valeur si on ne peut pas apprécier les ux lignes D 1 et D Faire l obscurité dans le laboratoire et observer le spectre l hydrogène, caractérisé par la série Balmer. On peut observer quatre lignes H α, H β, H λ et H δ, qui ont la distribution spectrale suivante : = R 2 2 λ 2 n n= 3, 4, 5, 6 où R = s -1 (fréquence Rydberg) 7. Noter, dans le tableau suivant, la position s lignes sur l échelle du spectrogoniomètre. 8

9 n raie couleur Longueur d on (nm) Position angulaire 3 H α Rouge 656,3 4 H β Turquoise 486,1 5 H λ Bleue 434,1 6 H δ Violette 410,2 13. Tracer le graphe calibration (ou courbe d étalonnage) entre les positions angulaires raies et leur longueur d on. 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 ATTENTION : Une fois le spectrogoniomètre étalonné, ne pas modifier l échelle. Exemples manipulations 1. Mesures spectrophotométriques A ) Spectres d émission 9

10 1. Analyser le spectre et remplir le tableau suivant pour chaque substance et utiliser la courbe d étalonnage correspondante. Lampe Raies Position angulaire Longueur d on (nm) Hélium Néon Cadmium Mercure B ) Spectres d absorption 1. Mettre la solution choisie entre une lampe à incanscence et la fente (16). 2. Observer la position s zones sombres et les situer grâce à l échelle. 3. Noter les résultats obtenus dans le tableau suivant : Solution Raies Position angulaire Longueur d on (nm) Chlorure baryum Chlorure potassium Chlorure sodium Chlorure strontium 10

11 Solution Raies Position angulaire Longueur d on (nm) Chlorure lithium Chlorure cobalt Chlorure nickel Chlorure cuivre Perchlorure fer Permanganate potassium C ) Observation qualitative s spectres grâce à un réseau diffraction. En conclusion, nous vons souligner l utilité du réseau diffraction, qui complète le matériel nécessaire pour les expériences cours. En particulier, ce réseau peut être employé pour visualiser, à l œil nu et en choisissant l angle adéquat, les différentes couleurs qui composent les spectres d émission s gaz raréfiés. On peut également utiliser le réseau diffraction comme milieu dispersif, en le plaçant à la place du prisme du spectrogoniomètre. Si l on utilise le réseau diffraction comme milieu dispersif, on pourra voir, un maximum principal diffraction 0 et plusieurs maxima secondaires 1, 2... Pour utiliser ce montage dans le but déterminer la longueur d on différents spectres, il conviendra procér comme suit : 1. Mettre le réseau diffraction sur son support (8) et placez-le sur la plateau porte-objet (21), perpendiculairement au rayon qui provient du collimateur. 2. Disposez la lampe à vapeur sodium à environ un centimètre la fente du collimateur (attendre quelques minutes, jusqu à ce qu elle se stabilise). 11

12 ATTENTION : Réaliser l obscurité dans le laboratoire. 3. Visualiser les différents maximums, principaux et secondaires s lignes jaunes D 1 et D 2 du sodium. 4. Mesurer leur angle déviation et remplir le tableau suivant : Spectre d émission Na D 1 λ = 589,60 N d ordre maximal 1 nm 2 Na D 2 1 λ = 589,00 nm 2 Position angulaire De l image Θ droite gauche Angle médian Θ Sin( Θ ) d (mm) <d> = mm 5. A partir s données du tableau précént et la condition maximum diffraction : où : n est l ordre du maximum d est le pas du réseau λ est la longueur d on du spectre Θ est sa déviation angulaire. On peut trouver la valeur du pas du réseau : n λ = d sin Θ λn d = = sin Θ mm 6. Remplir la rnière colonne du tableau ci-ssus et trouver la valeur moyenne <d>. 7. Eteindre la lampe au sodium. 8. Appliquer une radiation quelconque provenant tubes à décharge et mesurer la déviation angulaire s couleurs. A partir là on obtient λ, en utilisant la valeur <d> et la condition maximum. On peut utiliser un tableau conçu sur le modèle suivant pour noter les données s différentes lampes spectrales : 12

13 Lampe spectrale d émission Raies N Position angulaire l image Θ droite gauche Angle médian < Θ > λ = d sin n Θ Hélium Néon Cadmium Mercure Entretien, garantie et dépannage 1. Entretien Aucun entretien particulier n est nécessaire au fonctionnement votre appareil. Pour le bon fonctionnement l appareil il est nécessaire le manipuler lui et ses accessoires avec le plus grand soin. L utilisateur pourra procér temps à autre, au nettoyage s différents optiques (collimateur, lunette, loupe du vernier) et l ouverture du collimateur au moyen d un papier non abrasif pour lentilles. Il est très recommandé ranger, après toute utilisation, l appareil dans son emballage d origine. Toutes les opérations maintenance ou réparation doivent être réalisées par PIERRON EDUCATION. En cas problème, n hésitez pas à contacter le Service Clients. 2. Garantie Les matériels livrés par PIERRON sont garantis, à compter leur livraison contre tous défauts ou vices cachés du matériel vendu. Cette garantie est valable pour une durée 2 ans après la livraison et se limite à la réparation ou au remplacement du matériel défectueux. La garantie ne pourra être accordée en cas d avarie résultant d une utilisation incorrecte du matériel. 13

14 Sont exclus cette garantie, la verrerie laboratoire, les lampes, les fusibles, tubes à vi, produits, pièces d usure, matériel informatique et multimédia. Certains matériels peuvent avoir une garantie inférieure à 2 ans, dans ce cas, la garantie spécifique est indiquée sur le catalogue ou le document publicitaire. Le retour du matériel sous garantie doit avoir notre accord écrit. Vices apparents : nous ne pourrons admettre réclamation qui ne nous serait pas parvenue dans un délai quinze jours après la livraison au maximum. A l export ce délai est porté à un mois. La garantie ne s appliquera pas lorsqu une réparation ou intervention par une personne extérieure à notre société aura été constatée. 14

15 Notes 15

16 Notes PIERRON Education - Parc Industriel Sud - Z.I. Gutenberg - 2, rue Gutenberg - B.P SARREGUEMINES CEDEX Tél. : Fax : Courriel : education-france@pierron.fr