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1、实验3-2 光谱法测量透明介质的吸收曲线介质对光的吸收不但与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。研究介质对光的吸收规律，不仅可以获得关于介质的信息，如成分、浓度、厚度等，还可以获得关于光源的信息。作为光谱分析技术的基本内容，通过实验掌握相应的研究方法，具有重要的现实意义。【实验目的】1、了解光栅光谱仪的构造原理及其使用方法。2、加深对介质光谱特性的了解。3、掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。【实验原理】图3-2-1当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板时，有一部分光被反射，另有一部分光被介质吸收，剩下的光从介质平板透射出来。设有一束波长为、入射光强为I0的单色平行光垂直入射到一块
2、厚度为d的透明介质平板上，如图3-2-1所示。如果从界面1反射的光强为IR，从界面1向介质透射光的光强为I1，在界面2处的入射光强为I2 ，从界面2射出的透射光的光强为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 （3-2-1） （3-2-2）以上提到的I1、I2、IR和IT是指光在界面1和2上，以及在介质中多次反射和透射的总效果。一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。我们将光谱透射率Ti与波长的关系曲线称为透射曲线。依据朗伯-比耳定律，在均匀介质内部光谱透射率Ti与介质厚度d有如下关系 （3-2-3）式中称为介质的线性吸收系数，
3、一般也称为吸收系数。吸收系数不仅与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。吸收系数与波长的关系曲线称为吸收曲线。设光垂直入射到厚度为d的介质上，光要从介质前后表面发生反射。如果值很小，反射可以进行多次。若介质表面的反射系数为R，则透过样品的光强为 （3-2-4）式中IT1、IT2、IT3 分别表示从界面2第一次透射、第二次透射、第三次透射的光的光强。所以 （3-2-5）通常介质的光谱透射率Ti和吸收系数是通过测试由同一材料加工成的（相同），表面性质相同（R相同），但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得出的。设两块试样的厚度分别为d1和d2，d2d1，光谱外透射分别为T1和T2。由（3-2-
4、5）式可得一般R和都很小，故上式可近似为 （3-2-6）即 （3-2-7）比较（3-2-6）式和（3-2-3）式，可得 （3-2-8）实验中的WGD8A型光栅光谱仪采用光电倍增管（附录3-2-1）测量光谱的光强。在合适的条件下，光电倍增管输出的光电流与入射光的光强成正比，因而利用光电流的输出值，就可由下式计算光谱透射率和吸收系数 （3-2-9） （3-2-10）式中i1和i2分别表示试样厚度为dl和d2时光电流的大小。【实验仪器】WGD8A型组合式光栅光谱仪（附录3-2-2）；汞灯及汞灯电源；溴钨灯及溴钨灯电源；镨钕玻璃3片（厚度分别为1mm和2mm）【实验内容】1、光谱仪的调节和波长示值的修
5、正（1）调光谱仪的底脚螺钉，以保证光谱仪水平放置（2）以汞灯作为光源，校对光谱仪波长示值的准确度，并做修正校正时，首先调好狭缝S1和S2宽度（l2mm），然后点燃汞灯，打开光谱仪电控箱电源，调整光电倍增管工作电压约500V左右，启动WGD8A光谱仪的控制软件（光电倍增管部分），待准备状态结束后，测量汞灯的能量谱。如果能量谱高度超出显示范围或太小，可适当改变狭缝S1和S2宽度，以及光电倍增管工作电压，使能量谱显示适中。将计算机给出的汞的四条谱线的标称值与标准波长值（435.8 nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）对比，若出现偏差，则应将修正值输入计算机中。有关光谱仪控制软件的具
6、体使用说明请阅读提供的手册。2、观察和测量镨钕玻璃的典型吸收峰（300nm660nm）关闭汞灯，用溴钨灯换下汞灯，将溴钨灯直接安装在光谱仪入口狭缝（S1）前，并将待测的较薄的一片镨钕玻璃垂直放入样品室内，保持原有狭缝宽度不变，测量此时的介质透射能量谱，并根据实测曲线的信号强度来调节光电倍增管的电压参数，使所测信号具有适当强度。待调整完毕，重新扫描一次，观察各吸收峰，记录它们的波长和能量。3、测量镨钕玻璃在500660nm之间的吸收曲线分别测量1mm和2mm厚的镨钕玻璃片在500660nm之间透射能量谱i1（）和i2（），并根据（3-2-9）式和（3-2-10）式做出镨钕玻璃在500660nm之
7、间的吸收曲线（）。为了减小电源及光电倍增管不稳定的影响，可对每块玻璃的能量谱进行多次测量。分布数据点时要合理。4、测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线用提供的三块镨钕玻璃组织四个厚度，选择某个吸收峰，测绘吸光度A与介质厚度d的关系曲线，并用最小二乘法求取对应于该波长的介质吸收系数（）。吸光度A定义为： （3-2-11）式中I0为对应所选吸收峰处的入射光强；Ik为增加不同厚度镨钕玻璃片时获得的透射光强。光强可用光电流的大小表示。【注意事项】1、光谱仪属于贵重仪器，必须按照说明书进行操作。2、狭缝的调节必须小心，狭缝的宽度不得超过3mm，也不得完全闭合，以免损坏刀口。实验完毕后，应将缝宽调节到0.2
8、mm左右。3、在测量吸收曲线或吸光度介质厚度关系曲线时，要保证仪器各参数（如狭缝宽度、光电倍增管工作电压等）不变。4、光栅对环境条件要求较高，应保持室内清洁和较低的湿度。【数据处理】1.观察和测量镨钕玻璃的典型吸收峰（300nm660nm）观察各吸收峰，记录它们的波长和能量。图3-2-2 300-660nm 测1mm厚的镨钕玻璃的投射能量谱对应的吸收峰与能量值计算机自动寻得，数据保存为3330303.txt2.镨铷玻璃在500-660这间的吸收曲线图3-2-3 1mm 镨钕玻璃的投射能量谱图3-2-4 2mm镨钕玻璃的投射能量谱能量与波长数据保存在文档1mm.txt和2mm.txt中根据公式：
9、 绘制吸收曲线（）具体的数据处理保存在3330301.xlsx图3-2-5 500-660nm镨钕玻璃吸收曲线（）（）/mm-1/nm3.测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线实验获得的不同厚度下镨钕玻璃的能谱图图3-2-6 没有镨钕玻璃时的能谱图图3-2-7 1mm厚的镨钕玻璃的能谱图图3-2-8 2mm厚的镨钕玻璃的能谱图图3-2-9 3mm厚的镨钕玻璃的能谱图图3-2-10 4mm厚的镨钕玻璃的能谱图图3-3-11 5mm厚的镨钕玻璃的能谱图原始数据保存在0,1,2,3,4,5mm.txt中选取某一个吸收峰=527.60nm 将该波长下的不同厚度镨钕玻璃片所对应透射能量与厚度整理成如下表：根
10、据吸光度的定义：I可以用E代替表3-2-1 =527.60nm 处d与A厚度d/mm012345能量（E）207.1101.649.834.222.57.8A00.7121.4251.8012.2203.279图3-2-12 吸光度A与d关系曲线用最小二乘法求=527.60nm处介质吸收系数有图得A 与d基本成线性关系：设A=+d故可将=527.2nm 处Ad曲线关系描述为A=0.6084d+0.0519可近似为： A=0.6084d由（3-2-11）知 A=2.303d所以可得 =0.264【思考题】1、光谱仪波长示值的修正为什么要用汞灯？测量吸收曲线为什么要用溴钨灯？答：汞灯从紫外到可见光
11、都有很强的辐射，电弧亮度极高。汞工作蒸气压越高，可见光部分越丰富，电弧亮度也越高。发射光谱仪的谱线库设置，是基于元素汞Hg 253.652nm 谱线在检测器上的参考位置而统一设置的。（所有元素波长坐标的参考基点，以Hg253.652 nm 为准。）通过校准参考波长的位置，可以修正仪器波长的微小偏差。因此用汞灯修正。溴钨灯的光强比较柔和，在500-660nm之间时其能量的变化的较为缓慢。2、试讨论狭缝的宽度对测量的影响。答：狭缝的宽度会影响光谱仪的实际分辨本领，狭缝越宽，光谱仪的分辨率越低。 【实验总结】（1）实验开始时不管怎么调节电压都不能得到很好的光谱图，光谱图较宽，让人很是苦恼。后来在老师
12、的帮助下，发现狭缝的宽度被调宽了，才导致了这个结果。下面具体分析。狭缝的几何像宽公式： 分别是狭缝宽度和狭缝像宽度；为与波长有关的宽度系数，分别是光谱仪物方焦距和像方焦距。由于成像系统存在衍射效应，因此要考虑衍射宽度的影响。衍射宽度用下式计算： 是衍射宽度，D是孔径光阑尺度。实际像宽为几何像宽与衍射宽度之和，即 随着狭缝宽度的增大，像的几何宽度也随之增大。在像平面上，狭缝像宽度对应的光谱宽度将其带入分辨本领公式可得： 其中是线色散本领。可见光谱仪的实际分辨本领随着狭缝宽度的增大而降低，与线色散率成正比。因此实验中狭缝窄点较好谱线越细，越清晰。（参考WGD8A型组合式光栅光谱仪工作原理）（2）实验数据较多，通过本实验我学会了对大量数据的整合与处理，了解了WGD8A型组合式光栅光谱仪的工作原理。【参考资料】1、徐志超,应用光谱学,华东师范大学出版社,19882、王彦吉 宋增福,光谱分析与色谱分析,北京大学出版社,19953、C.劳季安,现代光谱学技术,成飞龙译,机械工业出版社,19874、王秉超,大学物理实验（下册）,高等教育出版社,20032班级：材料物理09-3 姓名：武甜甜 学号：09132304 同组者：张静 学号：09132305
