光谱仪和光谱的观察

图1原子自发辐射发射光子光谱仪和光谱的观察光谱是光源所发射的辐射强度随波长（频率）的分布，它反映了光源的构成物质和其它的一些特性。我们今天所掌握的有关原子和分子结构方面的知识绝大部分都来自光谱的研究。在电磁辐射和物质相互作用时能观察到吸收或发射光谱，它们从多方面提供了原子和分子结构和它们与周围环境相互作用的信息。因此，光谱的观察在科学研究和生产生活中有着十分重要的意义。【实验目的】1．掌握光栅光谱仪的工作原理和使用方法，学习识谱和谱线测量等基本技术。2．通过光谱测量了解一些常用光源的光谱特性。3．通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长验证巴尔末公式并准确测出氢（氘）的里德堡常数。4．*测出氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。【实验原理】1．典型光源光谱发光原理（1）热辐射光源这一类光源特点是物体在发射辐射过程中不改变内能，只要通过加热来维持它的温度，辐射就可继续不断地进行下去．这类光源包括我们常用的白炽灯、卤素灯、钨带灯和直流碳弧灯等一些常用光源。它们光谱是覆盖了很大波长范围连续光谱，谱线的中心频率和形状与物体温度有关，而与物质特性无关，温度越高，辐射的频率也越高。（2）发光二极管通过n型半导体的电子和p型半导体在结间的偶合发出光子，发光频率与电子跃迁能级有关。如果，跃迁的上能级为E2、下能级为E1，则发出光子的频率v满足其中h=6.62610-34Js为普朗克常数，发光二极管跃迁的上下能级都是范围较宽的能带结构，因此，其谱线宽度一般也较宽。分子和晶体也有这种带状的能级结构，谱线也有一定的宽度。（3）光谱灯光谱灯工作物质一般为气体或金属蒸汽，通过激发的形式，使低能态的原子激发到较高的能级（图1），处于高能级的原子是不稳定的，会以自发辐射的形式回到低能级，辐射的光子也满足E2和E1分别是原子自发辐射跃迁的上下能级，v为辐射的光子频率。原子的能级是分立的，可以从不同高能级不同低能级跃迁，因此，原子谱线也是分立的，谱线宽度一般也较窄。2.谱线半值线宽12EEhv12EEhv谱线的半值线宽（半线宽）是光谱研究中一个很重要的参量，通过半线宽的测量我们可以知道谱线的频率分布的范围的大小，可以求得光源的相干长度等一些与光源特性有关的参量。如果一个光谱的分布函数f()，在波长=0达到极大f(0)（图2），在其左右两边各存在波长值λ1、λ2，有f(1)=f(2)=f(0)/2，则对应波长0峰值半线宽定义为Δ=|1-2|。峰值半线宽与相干长度ΔL关系为20L。3.氢原子光谱氢光谱实验在量子理论的发展过程中有着非常重要的地位，1913年玻尔原子的量子轨道的理论，指出了原有经典理论不能用于解释原子内部结构，提出了微观体系特有的量子规律，揭开了量子论发展的序幕。氢原子光谱的实验规律：早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可以用一个普遍的公式表示，波数22111~nmRv(1)其中：m取1、2、3、4、5等正整数，每一个m值对应一个光谱线系，如当m＝2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴尔末线系；n取m+1、m+2、m+3、…等正整数，每一个n值对应一条谱线；R称为里德伯常数。式(1)称为广义巴尔末公式。根据光谱实验规律和其它实验结果,玻尔提出了原子电子轨道的量子化理论,按照玻尔理论氢原子光谱巴耳末线系的理论公式为22342012112)4(1~nmMchmev（2）式中0为真空介电常数，h为普朗克常数，c为光速，e为电子电荷，m为电子质量，M为氢原子核质量。即里德伯常数mMMRmMchmeR12)4(13420（3）R为将核的质量视为无穷大(即假定核固定不动)时的里德伯常数。这样便把里德伯常数和许多基本物理常数联系起来了。因此式(3)和实验结果符合程度就成为检验玻尔理论正确性的重要依据之一。这样(2)可写成221211~nRv（4）图2谱线半值线宽（n=3时，=656.28nm）*4.同位素位移由于同一元素的不同同位素，它们原子核所拥有的中子数不同，引起原子核质量差异和电荷分布的微小差异，而引起原子光谱波长的微小差别称为“同位素位移”。一般来说，元素光谱线同位素位移的定量关系是很复杂的。对于重核，中子数目的增加除了增大原子核的质量外，还使原子核的半径发生变化，它们对同位素的光谱线都有影响。只有像氢原子这样的系统，同位素位移才可以用简单的公式计算。氢原子核是一个质子，其质量为M，氘核比氢核多一个中子，其质量近似为2M。由式(4)可知氢原子与氘原子的里德伯常数分别为mMMRRH（5）mMMRRD22（6）对于巴耳末线系，氢和氘的谱线计算公式分别为221211~nRvHHH（7）221211~nRvDDD（8）对于相同的n，由式（5）~（8）可得22221211112111nRRRRnRRRDHDHDHMmMmMMmM2122（9）所以2mM（10）同时由于用光谱实验可测得精确度很高的里德伯常数，因而也成为测量基本物理常数值的重要依据之一。上式中的是用R。代替RH或RD计算得到的H或D的近似值。用式(10)计算M/m时，又可取D的数值。从实验测得的每一个H和D可算得M/m的一个值，最后求平均值。【实验仪器】光栅光谱仪、光谱灯、发光二极管、热光源、氢灯【仪器介绍】1．光栅光谱仪光栅光谱仪是利用光栅分光原理制成光谱测量仪器，内部结构见图3。当光源放在进光狭缝A1前，光线狭缝进入光谱仪后，先由转向镜M、M1反射到达分光光栅G，光束经光栅分光，选择好的单色光经由M2反射经狭缝A2进入光电倍增管PM。其中，A1、A2缝宽大小决定谱线精细程度，通常缝宽越小谱线的分辨率越高，但谱线强度越低，实验中，可按不同的测量要求，选择合适的缝宽；M的作用仅仅是使光束转向；M1是一凹面镜不仅是光束转向，还使光束变为平行光入射光栅；G是分光元件，一个步进马达通过丝杆-连轴结构与之连接，控制G的分光角度，调节进入PM的光束的波长；M2也是一凹面镜，其作用是将分光后的单色光反射并聚焦通过A2进入PM探测；PM探测谱线强度，并转换成电信号，再由数据采集系统转变成数值信号，送入计算机系统处理、显示和存储。2．WGD系列光谱仪控制软件介绍当打开光栅光谱仪软件系统，计算机会对系统自动初始化，探测零点位置，使光谱仪到达200nm的测量位置，并可见到图4界面。因篇幅的关系这里只对一些常用的功能做简单的介绍。在界面的左边有“参数设置”按键，有如下参数：“模式”：有“能量”、“透过率”、“吸收率”和“基线”四种模式，一般谱线的测量用能量模式；在测量“透过率”和“吸收率”需先测量基线。“间隔”：有0.1nm、0.2nm、0.5nm和1nm四档（8型还有0.025nm,0.05nm档），反映了扫描过程中两测量点间的距离，在测量时，可根据测量谱线的特性选择合适的档次。“起始波长”和“终止波长”：决定扫描的波长范围（在200nm~800nm范围内），可直接输入，也可用谱线下方工具选定，或在工具点开的窗口内输入。“最大值”和“最小值”：决定“能量”显示范围。最大值为1000，在测量中，计算机有时会自动选择，可用直接输入谱线下方工具选定。也可在工具点开的窗口内输入。以上两对参数可根据需要加以选择。A1、A2：通光狭缝、M、M1、M2：反射镜、G：光栅、PM：光电倍增管、R：连杆、S：丝杆、M：步进马达图3光谱仪内部结构“负高压”在WGD-8型光谱仪上用于选择光电倍增管电压，共有1~8档，档数越高负高压越大，倍增管放大倍数也越大。在WGD-3型由于电压靠控制箱面板电压调节旋钮调节，这个参数是虚设的。“增益”调节控制箱内部放大器的放大倍数，有1~7档。“采集次数”调节每个测量点测量取平均的次数，次数越多，由于平均效果，曲线受外界不确定因素干扰越小，曲线越平滑，但测量所需的时间越长。最上一排操作按键大多与一般计算机操作按键功能相同，只有：在“工作”下有“单程扫描”、“定点扫描”、“波长检索”和“重新初始化”等操控键。“单程扫描”：是用得最多的功能，点此按钮，光谱仪就会按设定的参数扫出谱线分布。在光谱图的上面有一排操作按钮中“单程”也可实现该功能。“定点扫描”：点此按钮，光谱仪可在给定单一波长下扫出时间-强度谱，在调节光谱灯位置时，该功能十分有用。在光谱图的上面有一排操作按钮中“定点”也可实现该功能。“波长检索”：可使光谱仪到达某一特定的波长位置。“重新初始化”：使系统重新检查光谱仪波长“零点”位置，并使光谱仪到达测量200nm的波长位置。该功能在每次打开系统时，计算机就会提醒使用一次。在“读取数据”下，有“寻峰”和“波长修正”等操控键。“寻峰”：可求得谱线上的峰值位置，使用该功能时，需在寻峰窗口中选择要寻的是“峰”，还是“谷”，“最小峰高”是多少等。用谱线图下方工具和也可实现同样的功能。“波长修正”：对标准光谱灯进行测量后，“寻峰”如发现得到的谱线与标准光谱的位置不相符合，就可启动该功能，按提示进行波长修正。还有一些其他功能键，这里就不一一介绍了，有兴趣的读者可对照仪器说明，进行测试。图4光谱仪控制界面【实验内容】1．用光栅光谱仪钠（汞）光谱灯的光谱，对光谱仪进行波长校准。2．分别对热辐射源、发光二极管、光谱灯进行光谱测量。3．测量氢原子发射谱，找出巴尔末线系的谱线，验证玻尔轨道理论。4．*测氢-氘谱，通过波长差求出质子与电子的比值。【实验步骤】1．光谱仪波长修正1.1认真阅读光谱仪介绍部分或阅读光谱仪说明书，弄清光谱仪扫描、波长修正和定点扫描等功能的应用。1.2打开计算机，开光谱仪电源开关。打开钠（汞）灯。1.5用鼠标点击运行光谱仪控制软件，选择光电倍增管，耐心等待仪器初始化工作结束（3~5分钟）。1.5对钠光灯双线589.0nm、589.6nm（或汞灯546.1nm线），在“能量”模式下，用“单程扫描”得到该标准谱线附近(范围：±5nm，间隔：0.1nm)的强度分布；用“自动寻峰”找到谱线的峰值位置，如峰值位置与标准谱线波长不对，则用“波长修正”对光谱仪进行波长校正。2．典型光源光谱测量分别选择好合适的“扫描范围”和“间隔”，对热辐射源（白炽灯）、发光二极管、汞灯546.1nm线（或氢灯656.28nm线）进行光谱测量，求出光谱的半线宽。画出该谱线强度分布简图。并求出相干长度。在测量时要注意调节光源的位置和光电倍增管电压或信号“增益”以保证“能量”信号有足够大的数值（强度100）。3．氢光谱测量3.1通过计算求出巴尔末线系的光谱范围，确定谱线出现的位置。[见（4）式（n=3时，=656.28nm）]3.2换氢灯初步扫出氢原子光谱（注意选择光电倍增管电压）。3.3用“自动寻峰“找到=656.28nm的谱线位置，进行“定点扫描”（选择扫描时间1000s），即在=656.28nm谱线峰值位置，看光谱强度随时间的变化，在“定点扫描”状态下，移动氢光谱灯的位置，使信号达到最大，并选择好适当的光电倍增管电压和信号放大倍数，保证信号足够大，并且不超出显示范围（1000），谱线能够最佳的信噪比。3.4根据巴尔末线系的范围，扫描出整个谱线系（参考范围：370~660nm，间隔：0.1nm）。3.5找出巴尔末线系的谱线，用最小二乘法求得氢原子的里德伯常数，求与公认值的百分差，验证波尔原子轨道理论。并画出谱线分布简图（谱线位置-强度）。3.6*找出合适的光谱灯位置，分开氢氘谱线，扫描出谱线（或用CCD测量）。【注意事项】1．光谱灯换挡时，一定要切断电源。2．不要动光谱仪的进光狭缝。3．测量光谱时，要根据谱线的强度，选择合适的光电倍增管电压。实验数据分析：1.测量光谱的半宽度和相干长度L=λ0^2/λ0(nm)1(n