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1、用单色仪测定介质的吸收曲线精 41 刘涛 2004010493一、实验目的1. 了解单色仪的构造原理并掌握其使用；2. 加深对介质光谱特性的了解，掌握测量介质吸收曲线或透射曲线的原理和方法；3. 初步了解光电池的工作原理及其应用。二、实验原理设有一束波长为 、入射光强为 Io 的单色平行光垂直入射到一块厚度为 d 的介质平板上，如图 5.1 所示。如果从界面 1 射回的反射光的光强为 IR，从界面 1 项介质内透射的光的光强为 I1，入射到界面 2 的光的光强为 I2，从界面 2 处设的透射光的光强为 IT，则定义介质板的光谱外透射率 T 和介质的光谱透射率 Ti 分别为T=IT/I0（ 5.
2、1） Ti=I2/I1（5.2）这里的 IR、I 1、 I2 和 IT都是光在界面 1 和 2 上以及介质中多次反射和折射的总效果。特长，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。光谱折射率 Ti 与波长 的关系曲线称为透射曲线。在介质内部，光谱透射率 Ti 与介质厚度d 有如下关系：die（5.3） 称为介质的线性吸收系数，吸收系数不仅与介质有关，而且与入射光的波长有关。 与 的关系曲线称为吸收曲线。设光在单一界面上的反射率为 R，则透射光的光强为12323245000420()(1)(1)1TTdddddIIReeIReIe（5.4）式中 IT1，IT2，分别表示光
3、从界面 2 第一次透射，第二次透射的光的光强。所以20()dTR（5.5）通常，介质的光谱透射率 Ti和吸收系数是通过存量由同一材料加工成的、表面性质相同但厚度不同的两块式样的光谱外透射率后计算得出的。设两块式样的厚度分别为 d1和d2，d2d1，光谱外透射率分别为 T1和 T2。由式（5.5）可得2112()ddTeR一般 R 和 都很小，故上式可近似为21()21deT（5.6） 所以12lnTd（5.7）比较式（5.6）和（5.3）可知：Ti=T 2/T1 （5.8）本实验中采用光电池和微电流放大器测量光强。光电流经微电流放大器后由数字表直接显示其数值，所以读出数值后就可计算光谱透射率和
4、吸收系数，即 Ti=n2/n1（5.9）12lnd（5.10）式中，n1 和 n2分别表示式样厚度为 d1和 d2时微电流放大器上数字表的示数。三、实验装置WDM1 型光栅单色仪：W单色仪；J微电流放大器；L聚光透镜；H光电池；P汞灯及电源；B样品架；F溴钨灯及电源；K单色仪调节手轮及波长读数装置四、实验任务1. 单色仪的调节和波长示值的校准1) 利用汞灯做光源校准单色仪波长示值校准时，将单色仪的波长读数装置转到示值在 577.0nm579.1nm 之间的某一位置。将汞灯放在入射狭缝前，狭缝 S1、S2 的宽度暂时调至约 2mm。用眼睛迎着出射光方向观察S2 上汞的黄色谱线，用显微镜对准出射狭
5、缝，关小入射狭缝使两条谱线分开直至谱线达到最细。关小出射狭缝，同时微调手轮，是其中一条谱线始终在出射狭缝中间，使狭缝与谱线同宽，读出此时单色仪的示值。转动手轮度下一条谱线。测完汞灯谱线，检查测量值与标准值之差，即仪器系统误差（0.2nm ） 。2) 调节狭缝宽度单色仪校准完毕后，为了下面的测量需对狭缝宽度重新调整。将单色仪的波长鼓轮转到示值在 577.0nm579.1nm 之间的某一位置。将出射缝 S2 的宽度暂时调至约 2mm。用眼睛迎着出射光方向观察 S2 上汞的两条黄色谱线，用显微镜对准出射狭缝。调节入射狭缝 S1的宽度，直到两条谱线的像刚好被分开为止，此时入射狭缝宽约 0.8mm。再调
6、节出射狭缝S2 的宽度，同时微调手轮，使出缝宽度与谱线宽度相同，此时出缝与入缝同宽，约0.8mm，显微镜的读数每大格 0.5mm。3) 溴钨灯光路调节已调好的狭缝宽度保持不变，为了减少单色仪的光能损失，提高透光效率，根据实验室给出的数据，计算出聚光透镜的位置。聚光镜的通光孔径 d=30mm，焦距 f=60mm，单色仪球面镜的光阑宽度 D=50mm。为使球面镜的孔径 D 充分照明，两个相似三角形应有关系 d/D=a/b。使聚光镜靠近光源可提高光源发光立体角的利用率。2. 测量钕玻璃在 610.0nm508.0nm 范围内的吸收曲线用溴钨灯做光源并进行共轴调节，使外光路光轴与单色仪光轴重合，避免光
7、线斜入射造成光能损失。手轮调到 610.0nm，用眼睛直接通过出缝 S2 观察透镜像，在计算出的位置左右移动透镜，使透镜像位于狭缝中间，锁定透镜。左右移动溴钨灯使透镜像全部变亮。放上样品架，记准无样品及薄、厚样品处于狭缝中间时的位置。装上探测仪，打开微电流放大器，微动溴钨灯，使微电流放大器显示值最大。调节灯丝电流，使微电流放大器示值在 170.0190.0 之间。数据测量：选定一片厚的钕玻璃片，然后定性观察钕玻璃对不同波长的吸收情况，确定吸收峰的大致波长位置。然后进行正式测量。每隔 1nm 测一次，在吸收峰附近测量点应更密些。测量范围 610.0nm508.0nm。选择另一薄的钕玻璃片，在与厚
8、玻璃片波长相对应的位置进行测量。根据两组数据，求出钕玻璃的吸收系数曲线。五、注意事项1. 当波长读数装置出现 99999 时应停止转动调节手轮，否则会损坏仪器。2. 两狭缝 S1 和 S2 的宽度最大不得超过 3mm，也不得完全闭合，以免损坏狭缝。六、实验数据处理及分析实验中共出现四个吸收峰，波长分别为：514nm 、530nm、572nm、585.5nm，对应的吸收系数分别为：37.09951、69.07603、285.795、330按吸收峰由低到高对应的半高宽分别为 8nm、11nm 、8nm、7nm实验中吸收系数出现了负值，但这些值得绝对值都比较小，没有超过 1.5 的。这说明在那些波长
9、下测得的厚样品的光谱透射率比薄样品的光谱透射率要高。这与理论情况相违背。出现这种情况的原因可能有如下几点：1、实验中测厚样品和测薄样品时的实验环境不同，比如环境温度的变化，气流的变化等；2、实验样品不够理想，比如薄样品上有灰尘或磨损是的投射里受到影响，而这种影响在这些特定波长下表现了出来，而且薄厚样品的材质也不会完全一样；3、实验中光源的亮度变化可能会影响仪器测得的透射率大小；4、实验仪器本身的误差，也会在吸收率降得比较低时表现出来。七、实验总结这次实验的设备设计的比较巧妙，比如各种反射镜的应用使仪器在有限的空间内实现了光路的传播。在实验中调节好光路也是很重要的一步，使光线尽量按照理论的线路走，成的像尽量清晰。校准单色仪时，汞灯应靠近入射狭缝，调狭缝的宽度时，看到的谱线比较细时就可以了，不要一直旋转以免损坏狭缝。实验中调节溴钨灯光路调好时，要把聚光镜和溴钨灯下的底座旋钮旋转到 ON，使得它们能固定在实验台上，以免移动后影响光路。这种设计减少了实验中意外的发生。实验中溴钨灯的电源电流不要超过 3A，以免溴钨灯过热而烧毁或降低寿命，而且也避免影响环境温度。开始测量吸收曲线时，手轮尽量按同一个方向旋转，不要翻转，所以旋转识别要太快，以免一次转过的示数太多又往回转。实验中不要随便走动，以免产生气流影响测得的数据。两次样品的测量尽量在相同的环境下进行。
