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文檔簡介

1、-用單色儀測定介質(zhì)的吸收曲線一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解單色儀的構(gòu)造原理并掌握其使用;2、 加深對介質(zhì)光譜特性的了解,掌握測量介質(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),有一局部被反射,另有一局部光被介質(zhì)吸收,剩下的光以介質(zhì)板透射出來。設(shè)有一束波長為,入射光強(qiáng)為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。假設(shè)從界面1射回的反射光的光強(qiáng)為,從界面1向介質(zhì)透射的光的光強(qiáng)為,入射到界面2的光的光強(qiáng)為,從界面2出射的透射光的光強(qiáng)為,則定義介質(zhì)板的光譜外透射率和介質(zhì)的光譜透射率分別為:這里,都應(yīng)該是光在界

2、面1和2上以及介質(zhì)中屢次反、透射的總效果。通常,介質(zhì)對光的反射、透射和吸收不但與介質(zhì)有關(guān),而且與入射光的波長有關(guān)。這里為簡單起見,對以上及以后的各個(gè)與波長有關(guān)的量都省略波長標(biāo)記,但都應(yīng)理解為廣譜量。光譜透射率與波長的關(guān)系曲線稱為透射曲線。在介質(zhì)部假定部無散射,光譜透射率與介質(zhì)厚度d有如下關(guān)系:式中,稱為介質(zhì)的線性吸收系數(shù),一般也稱為吸收系數(shù)。它不僅與介質(zhì)有關(guān),而且與入射光的波長有關(guān)。吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線稱為吸收曲線。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)。所以通常,介質(zhì)的光譜透射率和吸收系數(shù)是通過測量由同一材料一樣加工成的、外

3、表性質(zhì)一樣R一樣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和,光譜外透射率分別為和,則又一般R和都很小,故上式可近似為所以綜合以上本實(shí)驗(yàn)中采用光電池和微電流放大器測量光強(qiáng)。適宜條件下,光電池輸出的光電流與照射到它外表的光的光強(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)由三局部組成:入射狹縫和準(zhǔn)直球面反射鏡構(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)生各種波長的

4、單色光;聚焦球面反射鏡、平面反射鏡及出射狹縫構(gòu)成出射聚光系統(tǒng),將光柵分出的單色光會(huì)聚在出射狹縫上。圖中汞燈P用于單色儀的校準(zhǔn)。溴鎢燈F用于測量,溴鎢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。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,然后投射到上。由于處在的焦平面上,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,因此當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)手輪K時(shí),可使光柵旋轉(zhuǎn),讓不同波長的單色平行光相繼投射到聚焦球面反射鏡上,并經(jīng)平面鏡反射后成像于出射狹縫上。如果寬窄適宜,不同波長的單色光就相繼從射出。波

5、長值可從單色儀的波長讀數(shù)裝置上讀出。本實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作過程中,樣品插放在入射狹縫前,由2塊并排擺放的寬為4mm,厚度為0.8mm、2.8mm的釹玻璃組成。四、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)及本卷須知一單色儀的調(diào)節(jié)和波長示值的校準(zhǔn)1利用汞燈作為光源校準(zhǔn)單色儀的波長示值1波長讀數(shù)裝置轉(zhuǎn)到之間,汞燈放入射狹縫前,、寬度調(diào)至2mm;2迎光觀察上汞的黃色譜線,用顯微鏡對準(zhǔn)出射狹縫,關(guān)小入射狹縫使兩譜線分開至較細(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。

6、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迎光觀察上汞的兩條黃色譜線,用顯微鏡對準(zhǔn)出射狹縫,調(diào)節(jié)入射狹縫使兩譜線剛好分開,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一樣,此時(shí)、同寬,約0.8mm3調(diào)節(jié)溴鎢燈光如圖3,將光源聚焦成像在狹縫前。聚光鏡通過光孔徑,焦距,單色儀球面鏡準(zhǔn)直鏡的光闌寬度。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。二測量釹玻璃在圍的吸收曲線用溴鎢燈作光源并進(jìn)展共軸調(diào)節(jié),使外光路光軸與單色儀光軸重合,防止光線斜入射造成光能損失。1 手輪K調(diào)到610.0nm,通過觀察透鏡像,移動(dòng)透鏡,使像位于縫中,縮透鏡2 左右移動(dòng)溴鎢燈使像全亮

7、。放樣品架B,記錄無樣品及薄、厚樣品在狹縫中間時(shí)的位置3 裝探測器,翻開微電流放大器,微動(dòng)溴鎢燈,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 選定厚釹玻璃片,定性觀察釹玻璃對不同波長的吸收情況,確定吸收峰大致波長位置。正式測量時(shí),每隔1nm測一次,吸收峰附近測量點(diǎn)應(yīng)更密一些,每隔進(jìn)展一次測量。測量圍6 選擇薄釹玻璃片,在與厚釹玻璃片波長相對應(yīng)的位置測量7 根據(jù)兩組數(shù)據(jù),求釹玻璃的吸收系數(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)和波長示值的校準(zhǔn)=_0.35_真值435.8546.1577.0579.1示值436.1546.5577.3579.5偏差0.30.4

8、0.30.42. 測量釹玻璃在圍的吸收曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表:修正前修正后n1n2a610.00 610.35 1.50 1.33 39.15 608.00 608.35 1.49 1.35 32.87 606.00 606.35 1.48 1.34 33.24 604.00 604.35 1.45 1.28 40.91 602.00 602.35 1.42 1.22 50.80 600.00 600.35 1.38 1.16 60.29 598.00 598.35 1.35 1.08 73.95 596.00 596.35 1.28 0.89 121.39 594.00 594.35 1.2

9、2 0.75 160.95 592.00 592.35 1.22 0.80 140.91 590.00 590.35 1.19 0.75 154.55 589.50 589.85 1.18 0.71 170.28 589.00 589.35 1.15 0.65 191.14 588.50 588.85 1.12 0.59 216.79 588.00 588.35 1.09 0.53 239.10 587.50 587.85 1.06 0.48 262.32 587.00 587.35 1.04 0.45 283.18 586.50 586.85 1.03 0.42 296.79 586.00

10、586.35 1.02 0.42 298.81 585.50 585.85 1.03 0.43 290.33 585.00 585.35 1.04 0.46 272.08 584.50 584.85 1.06 0.51 246.21 584.00 584.35 1.08 0.56 216.84 583.50 583.85 1.11 0.63 189.42 583.00 583.35 1.13 0.69 161.50 582.50 582.85 1.14 0.75 140.46 582.00 582.35 1.15 0.79 127.86 580.00 580.35 1.13 0.76 131.

11、34 578.00 578.35 1.05 0.52 235.51 576.50 576.85 1.02 0.54 214.80 576.00 576.35 1.02 0.53 215.96 575.50 575.85 1.00 0.52 221.88 575.00 575.35 0.98 0.49 231.05 574.50 574.85 0.96 0.45 251.00 574.00 574.35 0.94 0.41 278.42 573.50 573.85 0.90 0.36 309.33 573.00 573.35 0.88 0.32 338.15 572.50 572.85 0.86

12、 0.30 355.95 572.00 572.35 0.87 0.31 344.21 571.50 571.85 0.89 0.35 307.32 571.00 571.35 0.92 0.43 256.95 570.50 570.85 0.96 0.53 202.22 570.00 570.35 1.01 0.63 157.93 569.50 569.85 1.04 0.73 116.56 569.00 569.35 1.06 0.82 86.11 568.50 568.85 1.08 0.88 67.20 568.00 568.35 1.09 0.93 51.03 566.00 566.

13、35 1.09 1.01 26.68 564.00 564.35 1.08 1.02 18.38 562.00 562.35 1.06 1.02 14.42 560.00 560.35 1.04 1.01 12.69 558.00 558.35 1.03 0.99 12.59 556.00 556.35 1.00 0.97 10.80 554.00 554.35 0.98 0.95 10.35 552.00 552.35 0.96 0.93 10.57 550.00 550.35 0.94 0.91 10.41 根據(jù)以上數(shù)據(jù),繪制釹玻璃的吸收曲線,得到以下圖。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及吸收曲線,我們可以

14、比較明顯地發(fā)現(xiàn)釹玻璃的兩個(gè)吸收峰,分別是1 = 572.5nm, 1 = 298.81/m2 = 586.0nm, 2 = 355.95/m六、 思考題1、 校對單色儀的波長示值為什么要用汞燈.而測量吸收曲線為什么要用溴鎢燈.答:校對單色儀波長示值時(shí)應(yīng)當(dāng)采用有確定輻射可見譜線的光源,汞燈在可見光譜有確定的404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0579.0nm的可見譜線。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、光色更好,全譜圍光譜連續(xù)且平滑,因此用于測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)諸因素綜合作用的結(jié)果。但我們在推導(dǎo)

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