單色儀的定標(biāo)與濾光片光譜透射率的測定

1、單色儀的定標(biāo)與濾光片光譜透射率的測定【實驗?zāi)康摹?了解棱鏡單色儀的構(gòu)造、原理和使用方法；2以汞燈的主要譜線為基準(zhǔn)，對單色儀在可見光區(qū)進(jìn)行定標(biāo)；3掌握用單色儀測定濾光片光譜透射率的方法?！緦嶒瀮x器】反射式棱鏡單色儀，汞燈，硅光電池，靈敏電流計，低倍顯微鏡，濾光片，會聚透鏡，毛玻璃【實驗原理】 單色儀是一種分光儀器，它通過色散元件的分光作用，把復(fù)色光分解成它的單色組成。根據(jù)采用色散元件的不同，可分為棱鏡單色儀和光柵單色儀兩大類，其應(yīng)用的光譜區(qū)很廣，從紫外、可見、近紅外一直到遠(yuǎn)紅外。對不同的光譜區(qū)域，一般需換用不同的棱鏡或光柵。若采用石英棱鏡作為色散棱鏡，主要應(yīng)用于紫外光譜區(qū)，并用光電倍增管作為探測

2、器；棱鏡材料用NaCl、LiF或KBr等，則可用于廣闊的紅外光譜區(qū)，用真空熱電偶等作為光探測器。本實驗為玻璃棱鏡單色儀，僅適用于可見光區(qū)，用人眼或光電池作為光探測器。圖1所示為反射式棱鏡單色儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其外殼是圓形的，下方有驅(qū)動棱鏡臺轉(zhuǎn)動的絲桿和讀數(shù)鼓輪，外側(cè)裝有縫寬可調(diào)的入射狹縫S1和出射狹縫S2。其光學(xué)系統(tǒng)由下列三部分組成：1  入射準(zhǔn)直系統(tǒng) 由入射狹縫S1和凹面鏡M1組成，因S1固定在M1的焦面上，它使S1發(fā)出的入射光束經(jīng)M1后成為平行光束。2  瓦茲渥斯（Wadsworth）色散系統(tǒng)由玻璃棱鏡P和平面鏡M聯(lián)合組成一整體，安裝在同 圖1一轉(zhuǎn)臺上，可以繞通過O點垂直

3、于圖面的軸線（棱鏡頂角的等分面和底面的交線）轉(zhuǎn)動，該系統(tǒng)的特點是平行光束通過后，以最小偏向角出射的單色光仍平行于原入射光。即該系統(tǒng)為恒偏向色散裝置。3  出射聚光系統(tǒng)由凹面鏡M2和出射縫S2組成，它將色散后沿不同方向傳播的單色光經(jīng)M2反射后，會聚在M2的焦面，即出射縫S2的平面上，因S2縫寬較小，從S2輸出的是波段很窄的光，通常稱為單色光。 隨著棱鏡臺繞O軸轉(zhuǎn)動，以最小偏向角通過棱鏡的光束的波長也跟著改變，當(dāng)最小偏向角由小變大時，從S2輸出的單色光的波長將依此由長變短。單色儀能輸出不同波長的單色光，是依賴于棱鏡臺的轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)，棱鏡臺的位置是由鼓輪刻度標(biāo)志的，而鼓輪刻度的每一數(shù)值都和一

4、定波長的單色光輸出相對應(yīng)。因此，必須制作單色儀的鼓輪讀數(shù)和對應(yīng)光波波長的關(guān)系曲線定標(biāo)曲線（又稱色散曲線），一旦鼓輪讀數(shù)確定，便可從定標(biāo)曲線上查知輸出單色光的中心波長。練習(xí)一 單色儀的定標(biāo) 單色儀出廠時，一般都附有定標(biāo)曲線的數(shù)據(jù)或圖表供查閱，但經(jīng)過長期使用或重新裝調(diào)后，數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，需重新定標(biāo)，以對原數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。單色儀的定標(biāo)是借助于波長已知的線光譜以獲取對應(yīng)的鼓輪讀數(shù)。為了獲得較多的點，必須有一組光源。通常采用汞燈、氫燈、鈉燈、氖燈以及用銅、鋅、鐵做電極的弧光光源等。本實驗選用汞燈作為已知線光譜的光源，在可見光區(qū)域（400nm760nm）進(jìn)行定標(biāo)。在可見光波段，汞燈主要譜線的相對強(qiáng)度和波長如

5、圖2及表1所示。 表1 汞燈主要譜線波長表 顏 色 波長nm 強(qiáng) 度 紫色 *404.66 *407.78 410.81 433.92 434.75 *435.84 強(qiáng) 中 弱 弱 中 強(qiáng) 藍(lán)綠色 *491.60*496.03 *496.03 強(qiáng)中 中 綠色 535.41 536.51 *546.07 567.59 弱 弱 強(qiáng) 弱 黃色 *576.96 *579.07 585.92 589.02 強(qiáng) 強(qiáng) 弱 弱 橙色 *607.26 *612.33 弱 弱 紅色 *623.44 中 深紅色 *671.62 *690.72 708.19 中 中 弱圖2 【實驗內(nèi)容】1觀察入射狹縫和出射狹縫的結(jié)構(gòu)

6、，了解縫寬的調(diào)節(jié)、讀數(shù)以及狹縫使用時的注意事項，選取適當(dāng)?shù)目p寬以獲取足夠的強(qiáng)度及較好的單色性。2在入射狹縫前放置汞燈，為了充分利用進(jìn)入單色儀的光能，光源應(yīng)放置在入射準(zhǔn)直系統(tǒng)（S1和M1）的光軸上。使入射狹縫減小到50，再在光源與入射縫之間加入聚光透鏡，適當(dāng)選擇透鏡的焦距和口徑，使其相對口徑與儀器的相對口徑（1：7）匹配。這樣，可獲得最大亮度的出射譜線，同時又減少了儀器內(nèi)部的雜散光。調(diào)節(jié)聚光透鏡的位置，用一塊毛玻璃置于出射狹縫處，使毛玻璃上呈現(xiàn)的譜線最明亮。3將低倍顯微鏡置于出射狹縫處，對出射狹縫S2進(jìn)行調(diào)焦，使顯微鏡視場中觀察到的汞譜線最清晰。為使譜線盡量細(xì)銳并有足夠的亮度，應(yīng)使入射縫S1盡可

7、能小，保證汞燈的兩條黃色的亮譜線分開，出射狹縫可適當(dāng)大些。根據(jù)可見光區(qū)汞燈主要譜線的波長、顏色、相對強(qiáng)度和譜線間距辨認(rèn)譜線。并選表1中打“*”者為定標(biāo)譜線。4使顯微鏡的十字叉絲對準(zhǔn)出射狹縫的中心位置，緩慢地轉(zhuǎn)動鼓輪，直到各譜線中心依次對準(zhǔn)顯微鏡的叉絲時，分別記下鼓輪讀數(shù)（L）與其所對應(yīng)的波長（）。為了避免回程差，應(yīng)采用從紫光到紅光（或相反）的過程，重復(fù)測量幾次，取其平均值。5以光譜線波長（）為橫坐標(biāo)，鼓輪讀數(shù)（L）為縱坐標(biāo)畫曲線，即能得到單色儀的定標(biāo)曲線。練習(xí)二 用單色儀測定濾光片的光譜透射率當(dāng)波長為、光強(qiáng)為的單色光束垂直入射于透明物體上時，由于物體對不同波長的光的透射能力不同，透過物體后的光

8、強(qiáng)也不同。通常定義物體的光譜透射率為 若以白熾燈為光源，出射的單色光由光電池接收，用靈敏電流計顯示其讀數(shù)，則出射的單色光所產(chǎn)生的光電流與入射光強(qiáng)、單色儀的光譜透射率和光電池的光譜靈敏度成正比，即式中k 為比例系數(shù)。若將一光譜透射率為的透明物體（濾光片）插入被測光路，則相應(yīng)的光電流可表示為 由以上兩式可得 本實驗要求用單色儀測定濾光片的光譜透射率，作出-曲線，并求出光譜透射率的半寬度透射率降到最大值一半時的波長范圍。 【實驗內(nèi)容】1按圖3所示安排好實驗儀器，光源用白熾燈，它的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。選擇適當(dāng)?shù)目p寬（S2應(yīng)盡量的小，S1可適度改變）。2轉(zhuǎn)動鼓輪，使單色儀輸出中心波長為690nm。不加濾

9、光片，記錄電流計偏轉(zhuǎn)格數(shù)（調(diào)節(jié)S1使其盡量大），加上濾光片時偏轉(zhuǎn)為。求濾光片對該波長的透射率。3繼續(xù)轉(zhuǎn)動鼓輪，使輸出中心波長從690nm向紫光區(qū)移動，每隔一定的波長間隔（約20nm）測量一次，求出透射率并記錄波長。4作-曲線，求出光譜透射率的半寬度。也可選用汞燈作為光源，分別測出435.84nm，491.60nm(或496.03nm)，546.07nm，576.96nm(或579.07nm)，623.44nm五條譜線濾光片的透射率,重復(fù)以上過程。 圖35注意事項：（1）狹縫是單色儀的精密元件，使用時要特別小心。旋轉(zhuǎn)測微螺旋時，操作要慢些，減小狹縫寬度時，切勿使狹縫的二刀口相碰，即不允許螺旋讀數(shù)小于零。（2）入射縫S1的光經(jīng)棱鏡折射后，在出射狹縫S2平面上形成S1的象是彎曲的，定標(biāo)時顯微鏡的叉絲應(yīng)對準(zhǔn)彎曲譜線的中部。（3）因棱鏡色散不均勻和探測器光譜靈敏度的限制，測定透明介質(zhì)的光譜透射率時，當(dāng)測量從長波段向短波段改變時，應(yīng)適當(dāng)增加縫寬（可增加S1的縫寬，為什么？），使電流計有較大的偏轉(zhuǎn)。（4）應(yīng)選取低內(nèi)阻的靈敏電流計（為什么？）。注意防止強(qiáng)光照射光電池。（5）若選用汞燈作為光源，測量任一譜線的透過率時，應(yīng)使S2的寬度較?。?.1mm），