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1、实验3-2光谱法测量透明介质的吸收曲线【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】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。(3-2-1)(3-2-2)设有一束波长为入、入射光强为I0的单色平行光 垂直入射到一块厚度为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I,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
2、谱透射率Ti分别为T 一i I1图 3-2-1以上提到的I、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。我们将光谱透射率与波长入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T = e -adi（3-2-3）式中a称为介质的线性吸收系数，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a与波长入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a值很小，反 射可以
3、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I = I +1+1+1+ -R)2 e -ad +1 (1 - R)2 R 2 e 3ad +1 (1 RR4e-5ad h(3-2-4)0 0TT LI。（1I G R e -ad=01 _ R 2 e 2ad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 IG Re -ad(3-2-5)强。所以T = - =I1 - R 2 e -2ad0通常介质的光谱透射率Ti和吸收系数a是通过测试由同一材料加工成的（a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
4、 的厚度分别为d1和d2，d2d，光谱外透射分别为片和T2。由（3-2-5）式可得Te _ad2 R2 e _2ad1Te 曲 R 2 e-2叫丿1一般R和a都很小，故上式可近似为J2 = e也2叫）（3-2-6）1lnT lnT即a =14（3-2-7）d d21T比较（3-2-6）式和（3-2-3）式，可得 T =亠（3-2-8）iT1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 T =（3-2-9）ii1lni lnia =12（3-2-10）d d21式中il和i2分别表示试样厚度为dl和d2时光电流的大小。【实
5、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Sl和S2宽度（I2mm）,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Sl和S2宽度，以及光电倍增管工作电压，使
6、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（432.8 nm、546.1nm、577.0nm、 579.lnm）对比，若出现偏差，则应将修正值输入计算机中。2、观察和测量错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Sl）前，并将待 测的较薄的一片错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、测量错钕玻璃在500660nm之间的吸收曲线分别测量l
7、mm和2mm厚的错钕玻璃片在500660nm之间透射能量谱（入）和i（入）， 并根据(3-2-9式和(3-2-10式做出镨钕玻璃在500 660nm之间的吸收曲线a (X) 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a (X)。吸光度 A 定义为：A lgi 2.303 d(3-2-11)k式中10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。0
8、k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0.2mm左右。3、在测量吸收曲线或吸光度一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。5、实验开始前需要用标准光源进行波长修正。【数据处理】1光谱仪的调节和波长示值的修正表一，光谱仪波长示值修正数据表1234标准波长/nm435.8546.1577579.1实测波长/nm435.0546.0577.0579
9、.0从表一数据可得在误差允许的范围内数据有效，所以不需要修正，可以直接做实验2.分别测量1mm和2mm厚的镨钕玻璃片透射能量谱(X )和(X)，根据测量结果, 作a (X) X曲线表二1mm和2mm镨钕玻璃随波长变化的能量值能：file 谀总血n-5005105205305405505605701mm582.2468.9497.2375.1621.2672.0672.077.22mm501.1296.9316.5187.5554.8636.9601.714.75805906006106206306406506601mm12 8.9125.0386.8506.0574.4574.0527.549
10、5.2457.12mm19.523.4231.5406.3543.1515.8507.9476.7433.7按照公式（3-2-9）和（3-2-10）对以上数据进行处理，记入下表表三 a （九）随九变化数据表九/ nm500510520530540550560E /1mm e2 mm1.1621.5791.5712.0011.1201.0551.117in%）2 mm0.1500.4570.4520.6930.1130.0540.110in E - in Ea 1 mm2 mm /12 -10.1500.4570.4520.6930.1130.0540.110570580590600610620
11、6306406506605.2526.6105.3421.6711.2451.0581.1131.0391.0391.0541.6591.8891.6760.5130.2190.5600.1070.0380.0390.0531.6591.8891.6760.5130.2190.5600.1070.0380.0390.053根据以上数据，绘制500nm660nm之间a（九）九曲线，如下a （九）图一 a （入）与入关系曲线图由图可知：a随着入的变化而变化，波长取一定值时吸收系数a值取得最大值。这说明了玻片对光的吸收不仅与介质的材料有关而且与入射光的波长是有关 的。从而也验证了朗伯-比耳定律。3.
12、测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线如上题中选择入=600nm的吸收峰表三吸光度与介质厚度关系数据（1=691.6）d/mm1230145i386.8231.5175.8148.5105.5i/L1.7880042.9874733.9340164.6572356.555450A0.5811001.0944281.3696611.5384221.880297A图3 吸光度A与介质厚度d的关系曲线由图可知：数据拟合得到直线的斜率是 0.3042/mm2.303 a =0. 3042, 所以：a =0.132吸收率比较大，当玻片达到2mm时，透过的光就很少了，到一定程度就可以算是不透明的 了。误差可能
13、是由于材料的因素，也可能是在操作过程中由于环境的因素使得样品室中光强 发生了改变，也可能是样品表面存在污垢，影响了光的通过。【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:汞灯的光强较强，抗杂光能力较强，光谱较宽。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:狭缝既是光进入仪器内部的通道，当狭缝较宽时通道进入的光就比较多，这样就会超过所测范围，由于所用仪器主要部件为光电倍增管，会引起光电管烧毁。【实验总结】本实验的实验原理跟简单，利用光谱法测量透明介质的吸收曲线，通过放置不同厚度的 错钕玻璃测
14、量吸光度与介质厚度之间的关系曲线。实验过程中，我们需要设置好扫描间隔, 调好实验仪器，保证电压不能超过700V,然后耐心地进行单程扫描，得到各个厚度下的单 程扫描图像，将其保存下来进行实验处理。做实验要培养我们的自主能力和创新能力，实验 之前我们要认真的看实验教材和实验仪器使用说明书，独立自主的完成实验的内容，养成独 立学习和思考的能力，这是本次试验给我的最大的体会和收益。jF.Jfi. tejraisis)工崔方:式uiwisj3 解|.K F3kb-ufkHE首回快玄件i)渎廉Si坍叩共于电)戲总口!5：! | ATrffl-LSST J |工卸EB 廷鹹按冋ID. QD m 丹止醐刎闘D顶m.自口kdE30 ucsllbd厨厨 LuE J E 3 4 55M.-M5N M-
