光源光譜專題實(shí)驗(yàn)總結(jié)

1、光源光譜專題實(shí)驗(yàn)總結(jié)機(jī)電學(xué)院 熱能與動(dòng)力工程專業(yè)0911 班 王斌學(xué)號：09223019摘要通過使用分光計(jì)、小型棱鏡讀譜儀以及光柵光譜儀來了解三棱鏡的色 散特性、掌握棱鏡讀譜儀的調(diào)整使用方法并使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集。引言很多光源發(fā)出的光是由多種不同顏色的光組成的，通過儀器我們可以將這些不同波長的光分開，形成“光譜”。最早的光譜分光元件是三 棱鏡。1666年牛頓用三棱鏡得知太陽光白光光譜是由紅橙黃綠藍(lán)靛紫 依次排列的光帶組成的。光柵是另一種常用色散元件。1859基爾霍夫 用平行光管、三棱鏡及望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成了最早的棱鏡光譜儀、光柵光譜儀。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一、棱鏡光譜與光柵光譜實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、進(jìn)一步掌握分光計(jì)的調(diào)

2、整及使用；2、掌握利用光柵衍射角測量光源光譜的方法;3、了解棱鏡光譜與光柵光譜的異同。實(shí)驗(yàn)原理由大量等寬等間距的狹縫構(gòu)成的光學(xué)原件叫做衍射光柵，光柵方程dsn = m 。光柵衍射的原理：光柵是根據(jù)多縫衍射原理制成的一種分光元件，它能產(chǎn)生譜線間距 寬的勻排光譜。所得光譜線的亮度比用棱鏡分光時(shí)要小些， 但光柵的 分辨本領(lǐng)比棱鏡大。光柵不僅適用于可見光，還能用于紅外和紫外光 波，常用在光譜儀上。衍射光柵有透射光柵和反射光柵兩種，它們都 相當(dāng)于一組數(shù)目很多、排列緊密均勻的平行狹縫，透射光柵是用金剛 石刻刀在一塊平面玻璃上刻成的，而反射光柵則把刻縫刻在磨光的硬 質(zhì)合金上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、儀器調(diào)節(jié)：（1）分光計(jì)

3、調(diào)節(jié)（從略）；（2）光柵的調(diào)節(jié)2、用鈉燈測 定光柵的光柵常數(shù)（鈉黃光波長為 589.30nm .首先測出鈉黃光譜線第一級（k= _1 ）的角坐標(biāo)，具體要求是對于k=+1記下、中,對于k=-1記下、中【；然后依據(jù)公式= ?日i-打| + |日刊叮|計(jì)算出鈉黃光譜線的衍射角；最后用光柵方程算 出光柵的光柵常數(shù)。3、測定汞燈各條譜線的波長。按上述方法記錄各譜線的角坐標(biāo)，并計(jì)算它們 的衍射角和波長。（要求重復(fù)測3次取平均值）二、小型棱鏡讀譜儀測氫原子光譜實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解小型棱鏡攝譜儀的結(jié)構(gòu)原理與使用方法。2. 初步掌握拍攝光譜與測量譜線波長的方法。3測定氫原子光譜的波長，計(jì)算氫的里德伯常量實(shí)驗(yàn)原理氫

4、原子光譜的規(guī)律：氫原子核外只有一個(gè)電子，根據(jù)玻爾理論， 當(dāng)電子處在量子數(shù)為 n 的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)， 原子總能量處于激發(fā)態(tài)的電 子，能夠自發(fā)地躍遷到能量較低的狀態(tài)或基態(tài)。 如果由n級向k級躍 遷，將發(fā)射單色光。當(dāng)k =1 , n =2，3, 4,時(shí)，氫原子發(fā)出的各條 譜線形成萊曼系，它落在遠(yuǎn)紫外區(qū)；當(dāng) k =2, n =3 , 4, 5,時(shí)，各 條譜線形成巴耳末系，它落在可見光區(qū)域并延伸到紫外區(qū)域； 當(dāng) k =3， 4, 5,時(shí)，則形成其它線系。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察小型棱鏡讀譜儀的構(gòu)造,學(xué)習(xí)其調(diào)整和使用方法。2、以氦氖燈為光源, 用讀譜儀觀察氦氖的光譜, 并用讀譜儀讀數(shù)顯微鏡測量每 條譜線的位置坐標(biāo)。

5、3、換以氫燈作光源,觀察其光譜并測量每條譜線的位置坐標(biāo)。4、用線性內(nèi)插法計(jì)算出氫譜線的波長。三、光柵光譜儀測光譜實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光柵光譜儀的工作原理。 2學(xué)習(xí)一種光譜分析的方法。實(shí)驗(yàn)原理1平面光柵攝譜儀(1) 光路原理： 一般平面光柵攝譜儀的光路。是同一大凹球面反 射鏡的下、上兩個(gè)不同框形部分。光源 A發(fā)出的光，經(jīng)三透鏡照明 系統(tǒng)L. L2、L3后均勻照亮狹縫S。通過S的光經(jīng)小平面反射鏡 N反 射轉(zhuǎn)向90°后射向因S由N所成的虛像正好處在M1的焦面上， 所以狹縫上一點(diǎn)S發(fā)出的光，經(jīng)反射后成了微微向上射出的平行 光，并正好射到N后上方的平面反射光柵 G上。G把入射光向M2 方向衍射。M2

6、把來自不同刻紋的同一波長的平行衍射光會聚成一點(diǎn)， 正好落在照相膠版B上。G相鄰刻紋的衍射光傳播到的光程差:=d (sini+sinj，式中d是光柵常數(shù)，i、二分別是入射光、衍射光相對于 G的法線的夾角，sin-取+號是因?yàn)槎在法線的同側(cè)。顯然，要 是個(gè)亮點(diǎn)，必須、=k-，于是得光柵方程d (sini+sin)= k，式中' 是光波波長，k= 0, 士 1 ,± 2,叫衍射級。除0外，對同一 k,因i相同而不同則二將不同，也就是不同波長的像將落在 B的左右不 同位置，成為一個(gè)單色。狹縫S是連續(xù)的點(diǎn)的集合，所以是一條亮線。 對同一 k, A發(fā)出的所有波長所形成的所有單色像構(gòu)成

7、 A的光譜，用 膠版B就可以把它們拍攝下來。(2) 中心波長和光柵轉(zhuǎn)角的關(guān)系：落在 B中心線附近的波長'0叫中心波長。顯然，這時(shí) 二=i,對1級譜光柵方程變?yōu)?d sin i=' 0 , 所以中心波長'0和i有對應(yīng)關(guān)系。光柵安裝在一個(gè)金屬齒盤上，盤底的軸插在機(jī)座的軸套上，盤邊有一蝸桿和齒嚙合，蝸桿用一連桿 和機(jī)殼外的手柄聯(lián)結(jié)；轉(zhuǎn)動(dòng)手柄就可以轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，并在手柄邊上可以 讀出光柵轉(zhuǎn)角i。儀器色散能力較大，一次攝譜 B只能容下相差約100nm的波長范圍，所以拍攝不同波段的光譜時(shí)，必須把光柵轉(zhuǎn)到相 應(yīng)的i角位置。（3）譜級分離： 設(shè)B上某點(diǎn): = 600nm,對尸600nm的光

8、波，k=1,得到了加強(qiáng)；對2=300nm的光波，k= 2,也得到了加強(qiáng)。這樣 在B上= 600nm處出現(xiàn)的譜線，就無法確定它是 r還是工，這叫 譜級重疊。但 2是紫外光，它不能透過玻璃，在狹縫前放一無色玻 璃作為濾色片，所有紫外光便都到不了 B,從而簡單地實(shí)現(xiàn)了 1級可 見光譜和2級紫外光譜的分離，濾色后在-=600nm處出現(xiàn)的譜線一 定是 ' 1o實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察光譜儀的構(gòu)造，了解儀器的調(diào)整和使用方法。2、學(xué)習(xí)光柵光譜儀軟件的簡單使用方法。3、用光譜儀對兩種光源進(jìn)行單程掃描，分別得到它們的能量一波長關(guān)系曲線結(jié)語1.本次試驗(yàn)的重點(diǎn)在于：1、分光計(jì)的調(diào)節(jié)。2、衍射、衍射角、光柵 衍射原理、角度的讀法、衍射角的計(jì)算。3、誤差的定量分析。2總結(jié)出的一些注意事項(xiàng)：1）分光計(jì)調(diào)節(jié)的總要求：望遠(yuǎn)鏡、平行光管的主光軸在同一直線上， 且垂直儀器的主軸。粗調(diào)：目測。細(xì)調(diào)：自準(zhǔn)法等。2）衍射、衍射角、光柵衍射的原理、角度的讀法、衍射的計(jì)算：衍 射：光繞過障礙物或小孔的現(xiàn)象（障礙物或小孔的與波長相差不多） 衍射角：不同波長的光發(fā)生衍射現(xiàn)象時(shí)，光的傳播方向發(fā)生改變，其 與原來光線傳播方向的夾