單色儀定標(biāo)與譜測量2011413131206

實驗報告評分：86實驗報告評分：86 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30實驗名稱：光柵單色儀的定標(biāo)和光譜測量（1）（2）測量紅寶石、?。?）測量濾波片和溶液的吸收曲線，掌握測量其吸收曲線或透射曲線的原理和方法。實驗原理：一、光柵單色儀的結(jié)構(gòu)和原理單色儀的光源有：火焰、電火花、激光、高低壓氣體燈（鈉燈、汞燈等、星體、太陽等。f=500mm光柵的面積6464mm2光柵的刻劃密度為1200線/mm二、狹縫寬度縫寬過大時實際分辨率下降，縫寬過小時出射狹縫上得到光強太小。最佳狹縫寬度為：a 0.86fn

f為拋物鏡的焦距，D驗中f＝500mm，D=64mm。三、光柵的色散和分辨本領(lǐng)根據(jù)光學(xué)的理論知識可知，光柵的特性主要有：譜線的半角寬度、角色散率和光譜分辨本領(lǐng)。根據(jù)光學(xué)的理論知識可以知道，光柵的特性主要有：譜線的半角寬度、角色散率和光譜分辨本領(lǐng)。理論上它們分別為：d

D d

R

mNNdcos

d dcos dNN641200=76800，mm=1線由于各種效應(yīng)而發(fā)生增寬，所以實際的譜線半角寬度遠遠大于理論值，因此光譜儀的實76800。四、閃耀光柵n的方向的夾角為（2）

，取一級b衍射項時，對于入射角為，而衍射角為時，光柵方程式為：dsinsin（、一定d（每毫1200200nm—900nm,6464mm2570nm21.58。當(dāng)光柵在步進電機的帶動下旋轉(zhuǎn)時可以讓不同波長以現(xiàn)對最強的光強進入出射狹縫，從而測出（注意計算時角度的符號規(guī)定和幾何光學(xué)方向為閃耀波長的方向 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30圖1：閃耀光柵五、吸收曲線測量原理：當(dāng)一束光入射到有一定厚度的介質(zhì)平板上時，有一部分光被反射，另一部分光被介質(zhì)吸收，I0

的單色平行光垂直入射到一d11I1RI2I21 2ITTIi

I分別為TTI0

I和T2。i I1II12R 1 2 T上以及介質(zhì)中多次反射和透射的總效果。Ti

與波長的關(guān)系曲線稱為透射曲線。在介質(zhì)內(nèi)部（假定介質(zhì)內(nèi)部無散射Tid有如下關(guān)系：Ti

稱為介質(zhì)的線性吸收系數(shù)，一般也稱為吸收系數(shù)。吸收系數(shù)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，則透射光的光強為I I IT T1 T

I I T3 T4I(1R)2edI0

(1R)2R2e3dI0

(1R)2R4e5dI0

(1R)2R6e7dI(1R)2ed(1R2e2dR4e4dR6e6d )0I(1R)2ed0 1R2e2d 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30式中，II2T1 T2I 所以TI I0

R)2ed1R2e2dTi是通過測量同一材料加工成的（對于同一波長相同，表面性質(zhì)相同R）設(shè)兩塊試樣的厚度分別為和，>，光譜外透射率分別為和。由上式可得T ed

(1R2e2d) R

T 2 2 1

，一般

和都很小，故上式可近似為2

(d d)2 121eTdeT11

(1R2e2d) T212所以，

lnT 1d2

ln2d21

比較可知厚度為時的光譜透射率為：T 2Ti TT1在合適的條件下，單色儀測量輸出的數(shù)值與照射到它上的光的強度成正比。所以讀出測量的強度就可由下式計算光譜透射率和吸收系數(shù)：T

I2 ，

Iln1I2i I dd1 2 1式中，II2 1

分別表示試樣厚度分別為d1

d時單色儀測量的強度值。2理論值:f=500mm6464mm2D=64mm，1200/mm,最f R

mN164120076800佳狹縫寬度a 0.86n

,理論分辨本領(lǐng) dm為干涉級次，這里m=1，N為光柵的總線條數(shù)。實驗內(nèi)容：光柵單色儀的定標(biāo)。紅寶石晶體的發(fā)射和吸收光譜的測量。濾光片的吸收曲線測量。實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理：單色儀的定標(biāo)Na主線系實驗報告評分：86 自動化實驗報告評分：86 自動化09 級PB092103192011-3-30姓王振法 589.013nm、相對誤差為

圖一Na主線系

589.013

0.002%1 589.0

589.625

0.004%2 589.6分辨率為 589.0R 45307.71 0.013 589.6R 23584.02 0.0251由

R 得里德堡常數(shù)分別為（Δs=1.35,Δp=0.86：R 3s2 3p2Rλ=589.013nmλ=589.625nm。Na銳線系圖二Na銳線系可得銳線系特征波長為615.450nm、616.050nm相對誤差為

615.450

0.008%1 615.4

616.050

0.008%2 616.0分辨率為 615.4R 123081 0.050 616.0R 123202 0.0501由

R 得里德堡常數(shù)分別為（Δs=1.35,Δp=0.86：R 3p2 5s2Rλ=615.450nm和λ=616.050nm：R=1.13×107Na漫線系圖三Na1圖四Na2可得漫線系峰值對應(yīng)波長為568.250nm、568.825nm；497.788nm、498.225nm實驗報告評分：86 自動化實驗報告評分：86 自動化09 級PB092103192011-3-30姓王振法 相對誤差為

568.3

0.009%1 568.3

568.86

0.006%2 568.86

497.788497.78

0.002%3 497.78

498.225

0.005%4 498.2分辨率為 568.3R 11366.01 0.050 568.86R 16253.12 0.035 497.78R 62222.53 0.008 498.2R 19928.04 0.0251由

R 得里德堡常數(shù)分別為（Δd=0.01,Δp=0.86：R 3p2 nd2Rλ=568.250nmλ=568.825nmn=4：R=1.13×107λ=497.788nmλ=498.225nmn=5：R=1.13×107紅寶石晶體的發(fā)射和吸收光譜的測量實驗報告評分：86實驗報告評分：86 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30圖五紅寶石發(fā)射曲線峰值波長692.888nm/694.288nmrC3+3d殼上三個電子發(fā)生能級躍遷的反映。紅寶石晶體的r22E4A694.3nm2E能級的電場分裂，2212E4A能級之間躍遷對應(yīng)兩條強熒光線R1和R2R694.3nm，21R2線的波長是692.8nm?？梢妼嶒灁?shù)據(jù)與理論值存在小于0.1nm的誤差。圖六紅寶石吸收曲線圖七溴鎢燈光譜曲線實驗報告評分：86實驗報告評分：86 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30line1借助于origin將吸收曲線與背景曲線（溴鎢燈光譜曲線）相處可得到如下圖像：line1反射性1.00.80.60.40.20.0200 300 400405.0

500700 800 900 波長/nm圖八紅寶石反射性定性曲線405.0nm557.5nmCr3+410.0nm4F550.01nm4F100.0nm2數(shù)據(jù)第一組與理論值有5nm的誤差，第二組有7.5nm的誤差，但都在誤差允許范圍之內(nèi)。綠色片： 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30圖九綠色片對溴鎢燈的吸收譜線用圖九的數(shù)據(jù)除以圖七溴鎢燈的光譜曲線，即可得到綠色濾光片的定性散射（吸收）曲線，利用origin作出圖像：line2波長line2波長/nm0.70.60.50.40.30.20.10.0-0.1200 300 4033.1500

700 800 900696.2圖十綠色片反射（吸收）定性曲線由此圖可以看出綠色濾光片對531.8nm附近的綠色光有很強的反射作用，而對433.1nm和696.2nm附近的光有較強的吸收作用。紅色片：圖十一紅色片對溴鎢燈的吸收譜線 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30用圖十一的數(shù)據(jù)除以圖七溴鎢燈的光譜曲線，即可得到紅色濾光片的定性散射（吸收）曲線，利用origin作出圖像：反射性0.70.60.50.40.30.20.10.0-0.1200 300

line3波長/nm600 700 800 900584.3圖十二紅色片反射（吸收）定性曲線584.3nm紅光有較強的反射作用。藍色片：圖十三藍色片對溴鎢燈的吸收譜線 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30用圖十三的數(shù)據(jù)除以圖七溴鎢燈的光譜曲線，即可得到紅色濾光片的定性散射（吸收）曲線，利用origin作出圖像：反射性0.70.60.50.40.30.20.10.0-0.1200 300 400 500

line4波長/nm700 800 900406.2 678.7圖十四藍色片反射（吸收）定性曲線由圖像可以看出，藍色濾光片對于406.2nm附近的藍紫光有較強的反射作用，而對大于518.7nm的部分綠光和紅橙光有較強的吸收作用。綜上，可以發(fā)現(xiàn)我們看到的濾光片的顏色，正是由于它吸收其他顏色的光，而反射固有顏色波長的光的特性。思考題：如何求出入射狹縫的最佳寬度？答：由衍射理論和實驗可知譜線的半寬度約為：an

0.86為D離軸拋物鏡的焦距，D5RI5a=an最好。W0a/an12W0a/an12a/an1圖4狹縫寬度與光譜寬度的關(guān)系曲線 圖5狹縫寬度與光譜分辨率及光譜強度的關(guān)系曲線 自動化09 級 學(xué)PB09210319 姓王振法 日2011-3-30單色儀的理論分辨本領(lǐng)如何計算？實際分辨本領(lǐng)如何測量和計算？R的計算：mR=mN實際分辨本領(lǐng)的測量和計算：577.1675nm579.3300nmR。原理和操作如下：

ba21(21)/2R 用實驗計算機上的“單色儀”應(yīng)用程序，進去后設(shè)定好當(dāng)前位置和積分時間，然后利用F3a1和2F61和2的值和半峰。由以以上公式計算出實際分辨本領(lǐng)。比較單色儀的理論分辨本領(lǐng)和實際分辨本領(lǐng)，說明兩者差別大的原因？答：實驗中由于光學(xué)系統(tǒng)的象差和調(diào)整誤差，雜