用單色儀測(cè)定介質(zhì)的吸收曲線

1、用單色儀測(cè)定介質(zhì)的吸收曲線實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解單色儀的構(gòu)造原理并掌握其使用；2、加深對(duì)介質(zhì)光譜特性的了解，掌握測(cè)量介質(zhì)的吸收曲線或透射曲線的原理和方法;3、初步了解光電池的工作原理及其應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)一束光入射到有一定厚度的介質(zhì)平板上時(shí)，吸收，剩下的光以介質(zhì)板透射出來(lái)。設(shè)有一束波長(zhǎng)為？入射光強(qiáng)為？0的單色平行光垂直入射到一塊厚度為d的介質(zhì)平板上，如圖1所示。若從界面1射回的反射光的光強(qiáng)為巡從界面1向介質(zhì)內(nèi)透射的光的光強(qiáng)為?,入射到界面2的光的光強(qiáng)為2R從界面2出射的透射光的光強(qiáng)為？則定義介質(zhì)板的光譜外透射率？加介質(zhì)的光譜透射率？粉別為：?=有一部分被反射，另有一部分光被介質(zhì)圖5.ZJ一束光人射

2、到平板上？這里，巡？?，?2?,?都應(yīng)該是光在界面1和2上以及介質(zhì)中多次反、透射的總效果。通常，介質(zhì)對(duì)光的反射、透射和吸收不但與介質(zhì)有關(guān)，而且與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。這里為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，對(duì)以上及以后的各個(gè)與波長(zhǎng)有關(guān)的量都省略波長(zhǎng)標(biāo)記，但都應(yīng)理解為廣譜量。光譜透射率？物波長(zhǎng)？的關(guān)系曲線稱(chēng)為透射曲線。在介質(zhì)內(nèi)部（假定內(nèi)部無(wú)散射），光譜透射率？用介質(zhì)厚度d有如下關(guān)系：?=?高式中，？稱(chēng)為介質(zhì)的線性吸收系數(shù)，一般也稱(chēng)為吸收系數(shù)。它不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。吸收系數(shù)？芍波長(zhǎng)？的關(guān)系曲線稱(chēng)為吸收曲線。設(shè)光在單一界面上的反射率為R,則透射光的光強(qiáng)為?=?+?+?+?+.=?1-?了?3d+?1-?2?

3、!?3+?1?2?<4?-5"+領(lǐng)1-?2?夕？?7+.=?(1-?？?3d(1+?,？?2a*1+?*?ad+?人)_?(1-?；2?ad=1-?式中，？?，？?分別表示光從界面2第一次透射，第二次透射的光的光強(qiáng)。所以_?_(1-?2?ad.?=?-1-?2?"通常，介質(zhì)的光譜透射率工和吸收系數(shù)？晁通過(guò)測(cè)量由同一材料（？下目同）加工成的、表面性質(zhì)相同（R相同）但厚度不同的兩塊試樣的光譜外透射率后計(jì)算得出的。設(shè)兩塊試樣的厚度分別為d1和d2,d2d1，光譜外透射率分別為？?和？，則?ad2(1-?3?adl)?=?a”1-?。縜d2)又一般R和？錯(cuò)酩艮小，故上式可近似

4、為?1? a (d2-d i)所以?=lnTi- lnT2?- ?綜合以上?=一?本實(shí)驗(yàn)中采用光電池和微電流放大器測(cè)量光強(qiáng)。合適條件下，光電池輸出的光電流與照射到它表面的光的光強(qiáng)成正比。光電流經(jīng)由微電流放大器后由數(shù)字表直接顯示其數(shù)值，從而計(jì)算光譜透射率和吸收系數(shù)，即?=?ln?7-ln?3?=?-?其中，？?和？?分別表示式樣厚度為？?和？時(shí)微電流放大器上數(shù)字表的示值。三、實(shí)驗(yàn)裝置圖2是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。本實(shí)驗(yàn)中使用單色儀為WDM1型光柵單色儀。它的光學(xué)系統(tǒng)由三部分組成：入射狹縫？?和準(zhǔn)直球面反射鏡？?1構(gòu)成入射準(zhǔn)直系統(tǒng)，以產(chǎn)生平行光束；反射光柵G為色散元件，以產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的單色光；聚焦球面反射

5、鏡？?2、平面反射鏡？馬及出射狹縫？?構(gòu)成出射聚光系統(tǒng)，將光柵分出的單色光匯聚在出射狹縫？?上。圖中汞燈P用于單色儀的校準(zhǔn)。澳鴇燈F用于測(cè)量，澳鴇燈的工作電流有恒流源控制。自制的微電流放大器由高精度運(yùn)放與數(shù)字顯示組成。圖5.2. 2實(shí)段裝置示意圖W就色儀/一盤(pán)電流放大BhL聚光透橫川1 一用電池潭一熏燈及電源田，樣晶架;F-慎雪燈及電源E單色儀調(diào)號(hào)手輪及波長(zhǎng)讀數(shù)裝置會(huì)聚透鏡L將光源F發(fā)出的白光會(huì)聚到入射狹縫？?上，然后投射到？2上。由于？?處在?1的焦平面上，因此？）的反射光成為平行光。此平行光經(jīng)光柵G衍射后分成一系列衍射方向不同的各種波長(zhǎng)的單色平行光。由于光柵裝置是與單色儀的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連的，

6、因此當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)手輪K時(shí)，可使光柵旋轉(zhuǎn)，讓不同波長(zhǎng)的單色平行光相繼投射到聚焦球面反射鏡？2上，并經(jīng)平面鏡？馬反射后成像于出射狹縫？上。如果？?寬窄合適，不同波長(zhǎng)的單色光就相繼從？射出。波長(zhǎng)值可從單色儀的波長(zhǎng)讀數(shù)裝置上讀出。本實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作過(guò)程中，樣品插放在入射狹縫前，由2塊并排擺放的寬為 4mm厚度為0.8mn2.8mm的被玻璃組成。四、實(shí)驗(yàn)任務(wù)及注意事項(xiàng)（一）單色儀的調(diào)節(jié)和波長(zhǎng)示值的校準(zhǔn)1 利用汞燈作為光源校準(zhǔn)單色儀的波長(zhǎng)示值1） 波長(zhǎng)讀數(shù)裝置轉(zhuǎn)到577.0nm-579.1nm之間，汞燈放入射狹縫前，?1、?2?寬度調(diào)至2mm；2）迎光觀察?2?上汞的黃色譜線，用顯微鏡對(duì)準(zhǔn)出射狹縫，關(guān)小入射狹縫

7、使兩譜線分開(kāi)至較細(xì)即可；3）關(guān)小出射狹縫，同時(shí)微動(dòng)手輪，是一條譜線在縫中間，使狹縫與譜線同寬，讀單色儀示值；4）轉(zhuǎn)手輪K讀下一條譜線；5）檢查測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值（435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）之差，即儀器系統(tǒng)偏差（要求0.2nm）。2調(diào)節(jié)狹縫寬度1） 按步驟1中1）重新調(diào)節(jié)狹縫寬度2） 迎光觀察?2上汞的兩條黃色譜線，用顯微鏡對(duì)準(zhǔn)出射狹縫，調(diào)節(jié)入射狹縫?1?使兩譜線剛好分開(kāi)，此時(shí)入射狹縫寬約0.8mm3） 調(diào)出射狹縫？，轉(zhuǎn)手輪K,使出縫寬度與譜線寬度相同，此時(shí)？?、？?同寬，約0.8mm3調(diào)節(jié)溴鎢燈光球面虢如圖3,將光源聚焦成像在狹縫前。聚光鏡通過(guò)光孔徑？?=30

8、mm,焦距？?=60mm,單色儀球面鏡（準(zhǔn)直鏡）的光闌寬度？?=50mm。成像規(guī)律遵守高斯公式。?此外為使球面鏡孔徑D充分照明，應(yīng)使?=?（二）測(cè)量鉉玻璃在610.0nm-550.0nm范圍內(nèi)的吸收曲線用澳鴇燈作光源并進(jìn)行共軸調(diào)節(jié)，使外光路光軸與單色儀光軸重合，避免光線斜入射造成光能損失。手輪儂到610.0nm,通過(guò)？?觀察透鏡像，移動(dòng)透鏡，使像位于縫中，縮透鏡2.左右移動(dòng)澳鴇燈使像全亮。放樣品架B,記錄無(wú)樣品及薄、厚樣品在狹縫中間時(shí)的位3.裝探測(cè)器，打開(kāi)微電流放大器，微動(dòng)澳鴇燈，使放大器示值最大4.調(diào)燈絲電流，使使放大器示值在1700-1900之間5.選定厚鉉玻璃片，定性觀察鉉玻璃對(duì)不同波長(zhǎng)

9、的吸收情況，確定吸收峰大致波長(zhǎng)位置。正式測(cè)量時(shí)，每隔1nmi一次，吸收峰附近測(cè)量點(diǎn)應(yīng)更密一些，每隔3?進(jìn)行一次測(cè)量。測(cè)量范圍610.0nm-550.0nm6 .選擇薄鉉玻璃片，在與厚鉉玻璃片波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的位置測(cè)量7 .根據(jù)兩組數(shù)據(jù)，求被玻璃的吸收系數(shù)曲線五、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析1 .單色儀的調(diào)節(jié)和波長(zhǎng)示值的校準(zhǔn)x=0.35nm真值/nm435.8546.1577.0579.1示值/nm436.1546.5577.3579.5偏差/nm0.30.40.30.42 .測(cè)量鉉玻璃在610.0nm-550.0nm范圍內(nèi)的吸收曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表：入（修止前）入（修正后）n1n2a610.00610.3

10、51.501.3339.15608.00608.351.491.3532.87606.00606.351.481.3433.24604.00604.351.451.2840.91602.00602.351.421.2250.80600.00600.351.381.1660.29598.00598.351.351.0873.95596.00596.351.280.89121.39594.00594.351.220.75160.95592.00592.351.220.80140.91590.00590.351.190.75154.55589.50589.851.180.71170.28589.00

11、589.351.150.65191.14588.50588.851.120.59216.79588.00588.351.090.53239.10587.50587.851.060.48262.32587.00587.351.040.45283.18586.50586.851.030.42296.79586.00586.351.020.42298.81585.50585.851.030.43290.33585.00585.351.040.46272.08584.50584.851.060.51246.21584.00584.351.080.56216.84583.50583.851.110.63

12、189.42583.00583.351.130.69161.50582.50582.851.140.75140.46582.00582.351.150.79127.86580.00580.351.130.76131.34578.00578.351.050.52235.51576.50576.851.020.54214.80576.00576.351.020.53215.96575.50575.851.000.52221.88575.00575.350.980.49231.05574.50574.850.960.45251.00574.00574.350.940.41278.42573.5057

13、3.850.900.36309.33573.00573.350.880.32338.15572.50572.850.860.30355.95572.00572.350.870.31344.21571.50571.850.890.35307.32571.00571.350.920.43256.95570.50570.850.960.53202.22570.00570.351.010.63157.93569.50569.851.040.73116.56569.00569.351.060.8286.11568.50568.851.080.8867.20568.00568.351.090.9351.0

14、3566.00566.351.091.0126.68564.00564.351.081.0218.38562.00562.351.061.0214.42560.00560.351.041.0112.69558.00558.351.030.9912.59556.00556.351.000.9710.80554.00554.350.980.9510.35552.00552.350.960.9310.57550.00550.350.940.9110.41根據(jù)以上數(shù)據(jù)，繪制鉉玻璃的吸收曲線，得到下圖。400被玻璃的吸收曲線通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及吸收曲線，我們可以比較明顯地發(fā)現(xiàn)被玻璃的兩個(gè)吸收峰，分別是入1=

15、572.5nm,a1=298.81/m入2=586.0nm,a2=355.95/m六、思考題1、 校對(duì)單色儀的波長(zhǎng)示值為什么要用汞燈？而測(cè)量吸收曲線為什么要用溴鎢燈？答：校對(duì)單色儀波長(zhǎng)示值時(shí)應(yīng)當(dāng)采用有確定輻射可見(jiàn)譜線的光源，汞燈在可見(jiàn)光譜內(nèi)有確定的404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0579.0nm的可見(jiàn)譜線。因此使用汞燈可以幫助實(shí)驗(yàn)者確定單色儀的偏差。溴鎢燈光效高、壽命長(zhǎng)、光色更好，全譜范圍內(nèi)光譜連續(xù)且平滑，因此用于測(cè)量吸收曲線比較適合。2、 試討論單色儀的入射狹縫和出射狹縫的寬度對(duì)出射光單色性的影響。答：入射狹縫的寬度越小則出射光的單色性越好，出射狹縫的寬度與出射光的單色性無(wú)關(guān)。3、 實(shí)際上，微電流放大器的顯示值是釹玻璃片的光譜外投射率、光源的光譜能量分布和光電池的光譜響應(yīng)諸因素綜合作用的