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1、普通物理实验 C课程论文题 目 CCD 微机棱镜摄谱仪实验研究学院物理科学与技术学院专业物理学（师范）年级2011 级学号222011315231019姓名周华忠指导教师陈晓莉论文成绩答辩成绩2012 年 12 月 11 日摘要： 光谱学研究的是各物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁波辐射按 照波长的有序排列，通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、电子组态、 化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，在化学分析中也提供了重要的定性与 定量的分析方法。发射光谱可以分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱、连续光谱。线状光谱主 要产生于原子，带状光谱主要产生于
2、分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。随着科技的进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，所使用的都是以CCD器件为核心构成的各种光学测量仪器。PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪测量系统 采用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数 据进行分析处理，通过直观的方式得到我们需要的结果。关键词：CCD、摄谱仪、波长、物质结构目录摘要： 2引 言 4第 1 章预备知识5第 2 章实验目的和原理5第 3 章实验系统组成7第 4 章实验操作步骤和注意事项9第 5 章氢原子光谱的研究12第 6章 测量谱线波长实例14附录 光谱灯谱线波长18参
3、考文献：20致谢： 20引言随着科技的进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图 形，所使用的都是以 CCD 器件为核心构成的各种光学测量仪器。光谱学研究的是各物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电 磁波辐射按照波长的有序排列，通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的 能级结构、电子组态、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，在 化学分析中也提供了重要的定性与定量的分析方法。PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪测量系统采用线阵CCD器件接收光谱图形和 光强分布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过 直观的方式得到我们需要的结果。与其他产
4、品相比，PSP05型摄谱仪具有分辨率 高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，观察方式多样，物理现象显著， 物理内涵丰富，软件功能强大等明显的优点，是传统棱镜摄谱仪的升级换代产品。第 1 章 预备知识仪器分辨本领：是指在用摄谱仪摄取波长为九附近的光谱时，刚刚能分辨出 两谱线的波长差。用R表示，R =話，式中弘为能够分辨的两谱线波长差。显 然浪值越小，摄谱仪分辨光谱的能力越高。棱镜的分辨本领：R二bdn，式中的b是棱镜的底边长，dn是棱镜材料的 d2d2折射率随波长的变化率；可见要提高棱镜摄谱仪的光谱分辨本领，必须选用高色 散率的材料制作色散棱镜，且底边b要宽。棱镜的R值大约可以达到10 4
5、数量级。第 2 章 实验目的和原理【实验目的】1了解小型摄谱仪的结构、原理和使用方法。 2学习摄谱仪的定标方法及物理量的比较测量方法（线形插值法）。 【实验原理】1光谱和物质结构的关系 每种物质的原子都有自己的能级结构，原子通常处于基态，当受到外部激励 后，可由基态跃迁到能量较高的激发态。由于激发态不稳定，处于高能级的原子 很快就返回基态，此时发射出一定能量的光子，光子的波长（或频率）由对应两 能级之间的能量差AE决定。AE = E -E，E和E分别表示原子处于对应的激i i i 0 i 0发态和基态的能量，即：AE = h = h ，得：九=，式中，i = 1，2，3,，i i 2i A E
6、iih 为普朗克常数， c 为光速。每一种元素的原子，经激发后再向低能级跃迁时，可发出包含不同频率（波 长）的光，这些光经色散元件即可得到一对应的光谱。此光谱反映了该物质元素 的原子结构特征，故称为该元素的特征光谱。通过识别特征光谱，就可对物质的 组成和结构进行分析。2棱镜摄谱仪的工作原理复色光经色散系统（棱镜）分光后，按波长的大小依次排列的图案，称为光 谱。棱镜摄谱仪的构造由准直系统、偏转棱镜、成像系统、光谱接收四部分组成。 按所适用波长的不同，摄谱仪可分为紫外、可见、红外三大类，它们所使用的棱 镜材料是不同的：对紫外用水晶或萤石；对可见光用玻璃；对红外线用岩盐等材 料。棱镜把平行混合光束分
7、解成不同波长的单色光根据的是折射光的色散原理。 各向同性的透明物质的折射率与光的波长有关，其经验公式是： n二A + f +亠+ ，式中A、B、C是与物质性质有关的常数。由上式可知，短 九2 九4波长光的折射率要大些，例如一束平行入射光由九、九、九三色光组成，并且1 2 3x x x，通过棱镜后分解成三束不同方向的光，具有不同的偏向角&其相123小型摄谱仪常选用阿贝（Abbe）复合棱镜，它是由两个30。角折射棱镜和一个 45。角全反射棱镜组成，如图2所示。本实验系统就是利用棱镜的色散特性进行工作的摄谱仪。在摄谱仪中，棱镜 的主要作用是用来分光，即利用棱镜对不同波长的光有不同折射率的性质来分析
8、光谱。折射率n与光的波长久有关。当一束白光或其它非单色光入射棱镜时，由 于折射率不同，不同波长（颜色）的光具有不同的偏向角，从而出射线方向不 同。通常棱镜的折射率n是随波长久的减小而增加的（正常色散），所以可见光 中紫光偏折最大，红光偏折最小。一般的棱镜摄谱仪都是利用这种分光作用制成 的。摄谱仪的光学系统如图3所示，自光源S发出的光，通过调节狭缝大小获得 一宽度、光强适中的光束，此光束经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜 色散，由成像系统成像于接收系统上。图2阿贝复合棱镜狭缝准直系统光源成像系统L|-接收系统3用线形内插法求待测波长 这是一种近似测量波长的方法。 一般情况下，棱镜是非线性色
9、散元件 但是在一个较小的波长范围内，可以 认为色散是均匀的，即认为CCD上接 收的谱线的位置和波长有线性关系。如波长为九的待测谱线位于已知波长xA-i A-2in mm I in inkx待测;iniiimiiM X.2图4比较光谱与待测光谱关系图图3摄谱仪系统光路图九和九谱线之间，如图4所示，它们的相对位置可以在CCD采集软件上读出,12如用d和x分别表示谱线九和九的间距及九和九的间距，那么待测线波长为:121 x九=九+ （九一九）。x 1 d 21第 3 章 实验系统组成下面分别介绍摄谱仪的几个主要元部件。（1）可调狭缝可调狭缝是光谱仪中最精密、最重要的机械部分，它用来限制入射光束，构成
10、光谱的实际光源，直接决定谱线的质量。狭缝是由一对能对称分合的刀口片组成，其分合动作由手轮控制。手轮是保 持狭缝精密的重要部分，因此转动手轮时一定要用力均匀、轻柔，狭缝盖内装有 能左右拉动的哈特曼栏板。（2）准直系统光源 S 发出的光，经可调狭缝后，经过透镜 L1、L2 后成一束平行光入射到 恒偏转棱镜上。实验过程中需微调可调狭缝的位置，当狭缝的位置处于 L1、L2 组合透镜的焦距上时，从透镜l2出射的光线为平行光。（3）色散系统 色散系统是一个恒偏转棱镜，它使光线在色散的同时又偏转 64. 1 。棱镜本 身也可绕铅直轴转动。（4）成像系统 成像系统是平行光线经棱镜色散后的聚焦部分。可以通过调焦
11、手轮作前后移 动进行调焦，调焦幅度约为40 mm。成像效果可以通过旋转反光镜，将光线反射 至毛玻璃上，用看谱镜透过看谱窗观察光谱。（5）接收系统PSP05 型 CCD 微机棱镜摄谱仪采用的是线阵 CCD 来接收光谱的光强分布， 代替了传统的胶片曝光法，操作方便，提高了实验精度及实验数据处理能力。CCD光强分布测量仪其核心是线阵 CCD 器件。 CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵， 有面阵（二维）和线阵（一维）之分。PSP05型CCD光强仪所用的是线阵CCD 器件，性能参数如下表。光敏元素光敏元尺寸光敏元中心距光谱响应范围光谱响应峰值2160 个14 pm X 14 pm14 pm(0
12、. 3 0. 9) pm0. 56 pmCCD电路盒上有1只DIP开关，改变这个时钟频率DIP开关的设置就改变 了 CCD 器件对光信号的积分时间。积分时间越长，光电灵敏度越高，时钟频率 DIP开关有5档，每档间是二进制关系，积分时间按1，2, 4，8，16倍增加。 第1档频率最高（每秒10帧），一般放在1档上。DB9插座，用来将CCD光强 分布测量仪与 USB100 计算机数据采集盒相连。在电路盒上有 1 个调整扫描基 线上下位置的小孔，扫描基线调整孔内有一只小电位器，用于调整“零光强”时 扫描线在显示器上的位置，调整时用钟表起或小起子细心微微旋转，顺时针转动 时，扫描基线将向上移动；反之，
13、基线将下降。第 4 章 实验操作步骤和注意事项整套PSP05 CCD微机摄谱仪的实验装置如下图5所示，具体安装调节步骤1安装光谱灯（选配件）。打开包装箱，取出灯具管；拧下防护罩上的两颗 螺钉，取下左右两只防护罩，取出灯具管里面的防震泡沫，之后再装上防护罩； 插入立柱，将灯具管固定在立柱上。将立柱旋入底盘，旋松锁紧螺钉，灯具管转 动到与底盘同轴时旋紧锁紧螺钉；将灯具管导线连接在光谱灯的电源盒上，接通 电源即可使用。2实验系统应平稳放置在实验工作平台上。3转动棱镜旋转台调节旋钮，将旋转指示指针移动至实验仪器面板的标度指 示中心位置。4打开棱镜盒上盖，将棱镜放置在棱镜旋转台上面，放置位置可参照旋转台
14、 上面标示的放置位置（划线表示），这样可以节省调节时间。用压片稍微压紧棱 镜。5在准直系统前部放置光源，点亮光源，将其正对平行光管通光口径。将反 光镜旋转调节手轮顺时针旋至底，微调棱镜，使得通过看谱窗看到的光斑最强， 压紧棱镜，并保持光斑在看谱窗的中心位置。压紧棱镜时，压力不要过大以防棱 镜变形或破碎。6.取出可调狭缝，旋下其保护罩（切记），将其通光口径调节至0.5 mm左 右，安装在平行光管上。狭缝应安装在垂直位置，否则谱线将成倾斜状，此时可 转动可调狭缝，直至底片上的谱线在铅垂方向为止，再调节可调狭缝调节手轮， 使狭缝通光口径缓慢变小，同时用看谱镜观察看谱窗上的谱线变化，直至所见谱 线亮度
15、、宽度适中，谱线成像清晰为止，停止调节手轮。若谱线不能完全充满看 谱窗横向视场，则说明棱镜旋转平台不平整，应加以调节，此时可以微调棱镜旋 转平台上的 3 个十字调节螺钉（如图6 所示），调节时注意观察变化规律，直至谱 线充满看谱窗横向视场为止。若看谱窗上的谱线成像始终模糊，应改变可调狭缝 刀口与准直物镜之间的距离，当狭缝刀口正好处于组合准直物镜的焦距上时成像 效果最佳，此时在看谱窗的所见的谱线，宽度、亮度适中，成像清晰。旋紧狭缝7. 用一谱线已知的光源（如钠灯、汞灯或其它一已知光源）定标。将定标光 源正对狭缝刀口，此时可以调节棱镜旋转台调节旋钮，在 CCD 可见视场内尽可 能出现最多的谱线，这样便于定标和实验谱线的比较，从而方便数据处理，减小 实验误差。将反光镜旋转手轮逆时针旋转至底。利用本实验系统自带的采集软件 采集谱线，并保存谱线样本（软件具体操作方法见软件使用说明书）。若CCD接 收的谱线水平幅度较宽，可以微调成像系统的微调手轮和像面倾斜螺钉，在软件 界面上得出较为理想的曲线。8. 在不改变任何光学系统的前提下，即不改变狭缝位置，不旋转棱镜旋转台， 不调节成像
