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1、单色仪的定标与滤光片光谱透射率的测定【实验目的】1了解棱镜单色仪的构造、原理和使用方法；2以汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区进行定标；3掌握用单色仪测定滤光片光谱透射率的方法。【实验仪器】反射式棱镜单色仪，汞灯，硅光电池，灵敏电流计，低倍显微镜，滤光片，会聚透镜，毛玻璃【实验原理】单色仪是一种分光仪器，它通过色散元件的分光作用，把复色光分解成它的单色组成。根据采用色散元件的不同，可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类，其应用的光谱区很广，从紫外、可见、近红外一直到远红外。对不同的光谱区域，一般需换用不同的棱镜或光栅。若采用石英棱镜作为色散棱镜，主要应用于紫外光谱区，并用光电倍增管作为探测器
2、；棱镜材料用NaCl、LiF 或KBr 等，则可用于广阔的红外光谱区，用真空热电偶等作为光探测器。本实验为玻璃棱镜单色仪，仅适用于可见光区，用人眼或光电池作为光探测器。图 1 所示为反射式棱镜单色仪的结构示意图，其外壳是圆形的，下方有驱动棱镜台转动的丝杆和读数鼓轮，外侧装有缝宽可调的入射狭缝S1和出射狭缝 S2。其光学系统由下列三部分组成：1 入射准直系统由入射狭缝 S1和凹面镜 M1组成，因 S1固定在 M1的焦面上，它使 S1发出的入射光束经 M1后成为平行光束。2 瓦兹渥斯（ Wadsworth）色散系统由玻璃棱镜 P和平面镜 M联合组成一整体，安装在同图 1 一转台上，可以绕通过 O点
3、垂直于图面的轴线（棱镜顶角的等分面和底面的交线）转动，该系统的特点是平行光束通过后，以最小偏向角出射的单色光仍平行于原入射光。即该系统为恒偏向色散装置。3 出射聚光系统由凹面镜 M2和出射缝 S2组成，它将色散后沿不同方向传播的单色光经M2反射后，会聚在 M2的焦面，即出射缝 S2的平面上，因 S2缝宽较小，从 S2输出的是波段很窄的光，通常称为单色光。随着棱镜台绕 O轴转动，以最小偏向角通过棱镜的光束的波长也跟着改变，当最小偏向角由小变大时，从S2输出的单色光的波长将依此由长变短。单色仪能输出不同波长的单色光， 是依赖于棱镜台的转动而实现， 棱镜台的位置是由鼓轮刻度标志的，而鼓轮刻度的每一数
4、值都和一定波长的单色光输出相对应。因此，必须制作单色仪的鼓轮读数和对应光波波长的关系曲线定标曲线（又称色散曲线），一旦鼓轮读数确定，便可从定标曲线上查知输出单色光的中心波长。练习一单色仪的定标单色仪出厂时， 一般都附有定标曲线的数据或图表供查阅，但经过长期使用或重新装调后，数据会发生变化，需重新定标，以对原数据进行修正。单色仪的定标是借助于波长已知的线光谱以获取对应的鼓轮读数。为了获得较多的点，必须有一组光源。通常采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及用铜、锌、铁做电极的弧光光源等。本实验选用汞灯作为已知线光谱的光源，在可见光区域（400nm 760nm ）进行定标。在可见光波段，汞灯主要谱线的相对强
5、度和波长如图2 及表 1 所示。表 1 汞灯主要谱线波长表颜色波长 nm 强度紫色*404.66 *407.78 410.81 433.92 434.75 *435.84 强中弱弱中强蓝绿色 *491.60 *496.03 *496.03 强中中绿色535.41 536.51 *546.07 567.59 弱弱强弱黄色*576.96 *579.07 585.92 589.02 强强弱弱橙色 *607.26 *612.33 弱弱红色 *623.44 中深红色*671.62 *690.72 708.19 中中弱【实验内容】1观察入射狭缝和出射狭缝的结构，了解缝宽的调节、读数以及狭缝使用时的注意事项
6、，选取适当的缝宽以获取足够的强度及较好的单色性。2在入射狭缝前放置汞灯，为了充分利用进入单色仪的光能，光源应放置在入射准直系统（ S1和 M1）的光轴上。使入射狭缝减小到50m，再在光源与入射缝之间加入聚光透镜， 适当选择透镜的焦距和口径， 使其相对口径与仪器的相对口径（1：7）匹配。这样，可获得最大亮度的出射谱线，同时又减少了仪器内部的杂散光。 调节聚光透镜的位置， 用一块毛玻璃置于出射狭缝处，使毛玻璃上呈现的谱线最明亮。3 将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝S2进行调焦，使显微镜视场中观察到的汞谱线最清晰。为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝 S1尽可能小，保证汞灯的两条黄色的亮
7、谱线分开，出射狭缝可适当大些。 根据可见光区汞灯主要谱线的波长、颜色、相对强度和谱线间距辨认谱线。并选表1 中打“ *”者为定标谱线。图 2 4使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到各谱线中心依次对准显微镜的叉丝时，分别记下鼓轮读数（L）与其所对应的波长（）。为了避免回程差，应采用从紫光到红光（或相反）的过程，重复测量几次，取其平均值。5以光谱线波长（）为横坐标，鼓轮读数（ L）为纵坐标画曲线，即能得到单色仪的定标曲线。练习二用单色仪测定滤光片的光谱透射率当波长为、光强为)(0I的单色光束垂直入射于透明物体上时，由于物体对不同波长的光的透射能力不同，透过物体后的光强)(
8、TI也不同。通常定义物体的光谱透射率)(T为)()()(0IITT若以白炽灯为光源， 出射的单色光由光电池接收， 用灵敏电流计显示其读数，则出射的单色光所产生的光电流)(0i与入射光强)(0I、单色仪的光谱透射率)(0T和光电池的光谱灵敏度)(S成正比，即)()()()(000STkIi式中 k 为比例系数。若将一光谱透射率为)(T的透明物体（滤光片）插入被测光路，则相应的光电流可表示为)()()()()()()()(000STTkISTkIiTT由以上两式可得)()()()()(00iiIITTT本实验要求用单色仪测定滤光片的光谱透射率)(T，作出)(T-曲线，并求出光谱透射率的半宽度透射率
9、降到最大值一半时的波长范围。【实验内容】1 按图 3 所示安排好实验仪器， 光源用白炽灯，它的发射光谱是连续光谱。选择适当的缝宽（S2应尽量的小，S1可适度改变）。2转动鼓轮，使单色仪输出中心波长为690nm 。不加滤光片，记录电流计偏转格数)(0i（调节 S1使其尽量大），加上滤光片时偏转为)(Ti。求滤光片对该波长的透射率)(T。3继续转动鼓轮，使输出中心波长从690nm向紫光区移动，每隔一定的波长间隔（约 20nm ）测量一次，求出透射率)(T并记录波长。4作)(T-曲线，求出光谱透射率的半宽度。也可选用汞灯作为光源，分别测出435.84nm，491.60nm(或 496.03nm)，5
10、46.07nm，576.96nm(或 579.07nm)，623.44nm五条谱线滤光片的透射率 , 重复以上过程。图 3 5注意事项：（1）狭缝是单色仪的精密元件，使用时要特别小心。旋转测微螺旋时，操作要慢些， 减小狭缝宽度时， 切勿使狭缝的二刀口相碰， 即不允许螺旋读数小于零。（2）入射缝 S1的光经棱镜折射后， 在出射狭缝 S2平面上形成 S1的象是弯曲的，定标时显微镜的叉丝应对准弯曲谱线的中部。（3）因棱镜色散不均匀和探测器光谱灵敏度的限制，测定透明介质的光谱透射率时，当测量从长波段向短波段改变时，应适当增加缝宽（可增加S1的缝宽，为什么？），使电流计有较大的偏转。（4）应选取低内阻的灵敏电流计（为什么？）。注意防止强光照射光电池。（5）若选用汞灯作为光源， 测量任一谱线的透过率时，应使 S2的宽度较小（ 0.1mm ），对不同谱线，其强度及探测器光谱灵敏度不同，应改变 S1的宽度，保证不加滤光片时检流计偏转格数尽量大（如2/3 满偏）。【思考】1 如发现单色仪定标曲线上相对于已知波长的鼓轮刻度 L 偏离了L，能否将原定标曲线平移L后继续使用，为什么？2 证明瓦兹渥斯色散装置（图4）的光束恒偏向特性，即2。图 4
