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1、 单色仪的调整和使用 实验目的：了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。 实验原理：一、 光栅单色仪的结构和原理如图1 所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。单色仪的光源有：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）、 电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。分光系统光源接收系统透镜图1 单色仪的组成PMTM2GM1S1：入射狭缝 S2：出射狭缝 M1：离轴抛物镜G：闪耀光栅 M2：反光镜 PMT：光电倍增管 S2图2 光栅单色仪的分光系统S1光栅单色仪的分光系统如图2所示，光
2、源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜M1的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。图2 所示为李特洛式系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高，更换光栅方便。图3 闪耀光栅的工作原理-qbN入射光fqbd衍射光-qn 分光系统中的光栅是闪耀光栅，以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成光栅，由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是该光栅复制的光栅
3、，它可以将单缝衍射因子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大即几何光学的方向集中了光的大部分能量，这个方向就是闪耀光栅的闪耀方向，使用闪耀光栅可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比。 图 4 单色仪外观图（1）入射狭缝 （2）出射狭缝 （3）出射狭缝前后调节螺钉 （4）波长显示器 （5）手动扫描旋钮 （6）仪器铭牌 （7）扫描速度旋钮 （8）扫描方向开关 （9）扫描启停开关 （10）电源指示灯 （11）报警灯 （12）电源开关 （13）本机/计算机转换开关 （14）前透镜 （15）钨灯 （16）导轨
4、 （17）光电倍增管 （18）测光仪后面板 （19）测光仪前面板 （20）光电头电缆 （21）钨灯电缆 （22）计算机电缆二：单色仪外观图理论值的计算:焦距f=500mm.光栅的面积6464mm2 光栅的宽度D=64mm，光栅的刻划密度为1200线/mm1、 最佳狭缝宽度由于汞灯是原子发光，所以它的光谱为间断的，理论可知它会出现两个波峰风别为576.96nm和579.06nm所以可得它的最佳狭缝宽度为=0.86500 579.06/64 nm=3.891m=0.86500 576.96/64 nm=3.876m 2、理论分辨本领R m为干涉级次，这里m=1，N为光栅的总线条数。实验内容：1.
5、熟悉实验仪器和设备，了解注意事项。2. 测量钨灯的光强与波长的关系曲线。分别加或不加滤波片的条件下，从400nm到750nm共2组测量。3. 测量LED灯的光强与波长的关系曲线。不加滤波片的条件下，从400nm到550nm共1组测量。4. 测量汞灯的波长光强曲线，并利用软件计算出峰的位置及分辨率。实验数据与分析：l 钨灯的光强与波长分布曲线：分析：此时的光强为相对值，由光栅方程，取一级衍射项此时为固定值。即与和都是正相关。从图中可看出光强与波长关系为先随之增大，后随之减小。主线系大约为600nm左右。还可以看出当加入滤波片时，曲线左移并下降，实际上这时是单色光，衍射后不同的衍射级次具有不同的衍
6、射角。此时它的一级光谱的闪耀波长对应的光强要比不用滤波片小。所以会出现最大值小的现象。在图中可看出其一级闪耀波长应在520nm左右。l 钨灯的光强与光子能量分布曲线： n LED灯的光强与波长分布曲线分析：光谱线的位置由d，j，决定，谱线强度与成正比，同时受衍射因子调制。Led灯的主线系大约在465nm左右。l 钨灯的光强与光子能量分布曲线：n 汞灯的波峰与单色仪实际分辨率的测量峰值半波宽分辨率第一波峰576.85nm0.2528nm2281.84第二波峰579.06nm0.2461nm2352.94误差分析：实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而
7、发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。思考题：1. 说明钨灯和钠灯、汞灯光谱的区别和道理。答：由实验可知钨灯的光谱为连续谱，而汞灯的光谱为分立谱。这是由它们不同的发光机制造成的：钨灯是由原子电离出的电子所产生的，由于电离出的电子具有连续的能量分布，所以光谱是连续的；汞灯是由原子内部电子发生能级跃迁造成的，所以光谱是分立的。2. 为什么狭缝具有最佳宽度？如何求出狭缝的最佳宽度？答：由实验原理的图5可知狭缝太宽会使分辨率下降，而太窄则会导致透射光强太弱。所以必然会有一个最佳的宽度。最佳宽度的计算可以由此公式： （D为光栅的宽度， f为等效会聚透
8、镜的焦距）得出。3. 单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和计算？答：理论分辨本领R算： m为干涉级次， N为光栅的总线条数。实际分辨本领的测量和计算：测量汞灯的576.96nm与579.96nm两条光谱线，并根据这两条光谱线计算出单色仪的实际分辨本领R。原理和操作如下：用实验计算机上的“单色仪”应用程序，进去后设定好当前位置和积分时间，然后利用分段扫描F3粗扫描测出a和b，测出l1和l2的粗略值。再利用归峰扫描F6测出精确的l1和l2的值和半峰。由以以上公式计算出实际分辨本领。4. 用钨灯测出的光强分布曲线可以说明什么？答：用钨灯测出的光强分布曲线为连续曲线，说明钨灯发出的是连续光谱，所以可以否定原子能级跃迁发射光子的可能。钨灯发光应该是由游离与原子实外的自由电子辐射的能量，由于其具有连续的能量分布，所以发射的光谱也是连续的。从宏观上说是由于灯丝发热，进行热辐射，所以发射连续光谱。
