北大普通物理综合实验课件25光谱仪在实验教学中的应用

1光谱仪在实验教学中的应用2主要实验内容反射式棱镜单色仪结构和标定用单色仪测介质光谱光栅光谱仪用光栅光谱仪测介质光谱黑体辐射实验氢原子光谱实验色度学实验3一、棱镜单色仪一种常用分光仪器，能输出一系列独立的，光谱区间足够狭窄的单色光，且输出波长连续可调。按物镜形式透射式&反射式按色散元件棱镜单色仪&光栅单色仪本实验中采用WDF-1型反射式棱镜单色仪45反射式棱镜单色仪的基本结构•入射准直系统由入射狭缝S1和准直凹面反射镜M1组成•色散系统由可以绕O点转动的棱镜P以及与之固定在一起的平面镜M2构成•出射聚光系统由聚焦凹面反射镜M3和出射狭缝S2组成6反射式棱镜单色仪的标定由于单色仪的出射波长是和鼓轮读数一一对应的，故可以做出曲线，即单色仪校准曲线。•标定方法：用一些波长已知，谱线宽度较窄的光入射S1,调整单色仪，使光按波长顺序依次从S2射出，并读出相应的值，从而得到的对应关系。本实验采用已知的高压汞灯的谱线进行校准。RRRR7高压汞灯主要谱线8高压汞灯校准曲线9拟合曲线方程4321432100123467456,-11816,788.2-23.524,0.26437Normofresiduals=0.86917aRaRaRaRaaaaaa10介质的光吸收谱•光波在介质里传播过程可能产生色散，吸收和散射等现象。这是光与介质相互作用的结果。如果只考虑介质对光的吸收，光能量将转化为热能或别的能量形式。现将各向同性均匀介质制成厚度d的平行平板型样品，若有波长λ的平行光波垂直穿过样品，因介质对光波有吸收，而且认定这种吸收是线性的，则有•其中Ｉ和分别是入射光波和出射光波的强度。α是该样品的光吸收系数0edII0I1100111lnln,~IITdIdTI因而称为光透过率与光强，波长等因素相关，得到的曲线被称为介质的光吸收谱eACdII0若介质是溶液，光被溶液中溶解的物质所吸收，吸收系数与溶液浓度C成正比即：=AC,其中A是一个与浓度无关的常数故：=这被称为比尔定律12镨铷玻璃光吸收谱•利用单色仪所产生的波长连续变化的单色光，可以测镨铷玻璃吸收谱•实验方法：1.不放入待测介质，测出溴钨灯的在一些波长的光强值2.在出射狭缝与探测器（光电接收装置）之间放入介质测出对应波长位置的光强进而可以得出此波长处的光吸收系数，由此得到介质的光吸收谱0()I()I13溴钨灯光谱14镨铷玻璃透过谱15镨铷玻璃吸收谱16问题•在用汞灯标定的时候，所得拟合方程仅对在测量范围[404.66，690.75]nm内的波长（鼓轮读数在[18.161，23.724]）有效，否则，将不能保证由鼓轮读数按拟合方程所得的波长与实际波长相符。•棱镜：玻璃/石英由于玻璃对紫光吸收较强，所以出射光强很弱，以至于在检流计上反映不出来。17一、光栅光谱仪光源发出的光进入S1，S1在M1成的像位M2的焦面上，经M2反射成的平行光束射向闪耀光栅G，衍射后的平行光束经M3成像于S2或S3上该仪器之区别于前面棱镜单色仪的地方是其色散元件为光栅18由光栅方程：sin,0,1,2~~~dkksinGd对于I序光谱：那么不同将对应不同的对于光栅的不同方位将得到波长不同的单色光因而通过旋转光栅G将得到一系列波长连续变化的单色光19任何仪器都可能在标度上存在偏差，因而在实验前都需要对仪器进行校准。在本实验中，采用低压汞灯的404.66nm，435.84nm，546.07nm，576.96nm，579.07nm等几条光谱线为标准谱线校准测量系统。当测量系统在工作状态下，将汞灯发出的光波对准光栅单色仪的入射狭缝，从显示屏幕的坐标系的横坐标上，找到对应谱线的位置，即可进行波长修正。1.光栅光谱仪的标定20低压汞灯谱线21•实验方法与前面用单色仪测镨铷玻璃吸收谱一样，先测出整个波段溴钨灯的光谱，再测出放入样品后的光谱，通过计算得出样品的吸收谱2.用光栅光谱仪测镨铷玻璃吸收谱22溴钨灯谱线23镨铷玻璃透过谱24光栅光谱仪测镨铷玻璃吸收谱253.用光栅光谱仪测溶液的光吸收谱•本实验采用一定浓度的高锰酸钾溶液作为试样，测出不同浓度下的光吸收谱，同时验证比尔-朗伯定律•实验方法：将高锰酸钾溶液稀释到浓度为原来的一半，测其吸收谱，按比尔-朗伯定律，稀释后的吸收谱应为原来吸收谱的一半26高锰酸钾吸收谱27高锰酸钾吸收谱28验证比尔定律•由比尔定律有：在一定波长下，吸收系数正比于溶液浓度故：可以取一定波长下不同浓度溶液所得吸收系数，检验其是否与浓度成正比下面挑了三个波长，做出不同浓度下其吸收系数与浓度的关系2930验证方法二•为验证稀释后吸收谱是否依次变成稀释前的一半，可将前三条光谱线分别乘以1/8，1/4，1/2，并与第四条光谱线进行比较，如果能够重合，则验证了比尔定律31验证比尔定律32三、关于光栅光谱仪和单色仪在测量介质光谱实验中的比较这两套系统均可以产生单色光以测量介质光谱，但其单色光的产生原理迥异，因而所产生的单色光的质量是有所区别的。33•对于光栅光谱仪来讲，由于，所以同一个角将会有好多个不同的波长与之相对应，只是k=1所对应的波长占了绝大部分的能量，而单色仪不存在这样的问题。sin,0,1,2~~~dkk•下面以用石英做外壳的汞灯的253.6nm和507nm两条谱线为例来说明3435•对于单色仪来讲，由于色散棱镜对入射光将有吸收，特别对于玻璃的棱镜，在靠近紫光的波段对入射光吸收得相当厉害，使得出射光强很小，以至于在测量的时候，无法给出出射光强的准确读数。这也是由于在单色仪测介质光谱中所采用的接收装置为光电接收装置加检流计，为人工读取数据，其中的误差自然是很大的。36下面两幅图将展示由两套系统所测得的镨铷玻璃透过率3738•由此可见，两者在不是很严格的要求下能得出大致相同的实验结果。两者各自的缺点都能为对方所弥补，所以在实验的时候，应考虑对哪一方面的要求较高而采用相应的实验系统。当然，很显然的一点，光栅光谱仪由于机械控制的引入，避免了许多人为操作上引起的误差，因而其精度是较高的。39四、光栅光谱仪的其他应用①黑体辐射实验②氢原子光谱实验③色度学实验40黑体辐射定律黑体辐射的光谱分布—普朗克定律21521612(,)(e1)1438010,2π3.7410cTcEThcckchc2其中41黑体辐射定律斯忒藩—玻尔兹曼定律维恩位移定律40541232()(,)d25.6621015ETETTkhc,其中max3max,2.99610ETAAT最大值所对应的波长与成反比其中42①黑体辐射实验•在本实验中，采用WGH-10型黑体实验装置，利用稳压溴钨灯作光源，以钨丝作为研究的黑体。43•在本实验中，以溴钨灯的电流来标定黑体的温度，在不同的电流下，测出对应的光谱曲线，也就得到不同温度下的光谱曲线，由此可以验证黑体辐射定律。44黑体辐射曲线45②氢原子光谱按玻尔理论，氢原子的能级公式为：电子从高能级态向低能级态跃迁时，发射出的光子满足22201(),211,2,3~~,1371eecEnnmnmcM2e其中为约化质量,=421hEE462222111(),2HHRmnmcRhc因而其中=为里伯特常数若m=2，则得到所谓的巴耳末系电子从高能级态向低能级态跃迁时，发射出的光子满足：21hEE47•因而，当m分别取3，4，5,6时，得到相应的波长:410.120nm,434.010nm486.074nm,656.210nm48实验原理•本实验的基本流程图如下：光源→光栅光谱仪→多通道检测器→信号处理器•入射光被光栅光谱仪色散后形成的谱带，位于出射窗口的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷的强弱的分布，由信号处理系统扫描，读出，经A/D变换后存储并显示于显示屏上。49实验原理•实验中，我们以氢灯作为光源，收集其光谱，以验证氢原子理论。而在收集光谱前，我们需要对系统进行定标，本实验用已知光谱的汞灯进行定标，以确定谱带上的位置与波长的关系，即二维CCD阵上的位置与波长的关系，亦即光栅光谱仪衍射极强的方向角与波长的对应关系，由此，可以仅从二维CCD阵上的位置读出此处的光的波长，进而知道与此波长对应的光强，最终得到我们所需要的光谱。50实验方法•首先用笔形汞灯作光源，调节使光源成像于光栅光谱仪的入射狭缝，转动光栅以使光谱照到CCD阵上，调节入射狭缝,使谱线变尖锐，选择适当的曝光时间以获得清晰尖锐的汞灯谱图，用水银的546.07nm,435.84nm,404.6nm,546.07nm,576.96nm,579.07nm这几条谱线定标，使横坐标即CCD阵上的坐标表示波长。51实验方法•然后改用氢灯作为光源，转动光栅使光谱落在CCD阵上，调节氢灯位置使谱线强度最强，将光栅转到合适的位置，测几条谱线的波长。将结果与玻尔理论进行比较。52实验结果m6543(nm)656.433486.210434.217410.159(1/nm)1.52342.05672.30302.4381m^(-2)0.02780.0400.06250.1111HHHH5354与理论值比较m6543实测波长(nm)656.433486.210434.217410.159理论波长(nm)656.210486.074434.010410.12055光谱吸收谱发射谱棱镜单色仪测介质光谱光栅光谱仪测介质光谱黑体辐射实验氢原子光谱实验