光源光谱

光源光谱编制：朱德权专题试验前言光源是光学实验仪器中主要器件，研究其光谱亦是光学实验的主要内容。本专题主要研究氢光谱、钠光谱和汞光谱的特性。实验所用仪器为；分光计、小型棱镜摄（读）谱仪、光栅光谱仪，以及光栅、三棱镜等光学元件。专题包括四部分：一、用光栅衍射法测汞光谱并与棱镜光谱对比二、用光栅衍射法测氢光谱并计算里德堡常数三、用小型棱镜摄（读）谱仪测氢光谱四、用光栅光谱仪测定汞光谱一、用光栅衍射法测汞光谱并与棱镜光谱对比实验要求：1、用衍射光栅测定汞灯光谱线波长；（已知汞绿光波长为λ=546.07nm，以此波长确定光栅常数）。绘出汞灯的光栅光谱图。2、观察汞灯的棱镜光谱，绘出汞灯的棱镜光谱图。3、分析两种光谱，说明二者的特点。实验仪器：分光计（参阅分光计实验）汞灯—在高压作用下汞蒸汽发光衍射光栅、三棱镜光栅衍射原理φθθφλdλ光栅衍射平行光垂直入射光栅平行光管abc望远镜,2,1,0sinkkd光栅常数bad(有关光栅衍射原理的详细介绍清参阅“衍射”专题)棱镜光谱（背景为彩色连续光谱）k=-1k=+1k=012光栅光谱：10、k数据处理1、根据观察，绘出汞光源的光栅光谱图、棱镜光谱图。进行对比、分析，说明其特点。2、由已知绿光波长计算光栅常数d值及不确定度。3、根据d值计算其他各谱线的波长及不确定度。4、根据双黄线的衍射角计算光栅的角色散率D值（）。5、实验误差分析。★要求对各谱线±1、±2级衍射角各测量6次以上，计算波长。coskddD二、用光栅衍射法测氢光谱并计算里德堡常数实验要求：实验仪器：分光计（参阅分光计实验）氢谱光源钠灯—在高压作用下钠蒸汽发光衍射光栅1、用钠光灯测定光栅常数。已知钠光波长λ=589.3nm2、测定氢原子光谱的巴尔末线系中α、β、γ、四条谱线的波长，并计算氢原子的里德堡常数。在充有纯净氢气的放电管的两端，加适当的电压，氢原子受到加速电子的碰撞，被激发，产生辐射，此过程即为辉光放电。辉光放电发出的光就可以作为氢谱光源。实验中所用氢放电管中的氢是由下述方法获得的。在放电管的支管内装有氢氧化钠，氢氧化钠所吸收的水随时可蒸发，以保持放电管中有一定压强的水蒸气。通电后，水蒸气离解为氧和氢，氧被铜电极吸收，则放电管内只留下氢。使用这种放电管时切勿倒置，以防氢氧化钠将支管堵死。为保护氢放电管电源，放电电流不要超过8mA。氢谱光源无氧铜电极氢氧化钠实验原理可见光区域氢光谱谱线称为巴尔末线系，其分布规律为：（光栅衍射原理见实验内容二）是实验常数，称为里德伯(Rydberg)常数。HR由上式确定的氢谱线为巴尔末线系，当n＝3，4，5，6时，所得的谱线分别标记为、、、。HHHH）（221211nRH单色光衍射的光强分布巴尔末系光栅光谱k=01k=-1k=+1k=0数据处理1、测量钠光±1、±2级谱线衍射角6次，由已知钠光波长计算光栅常数d值及不确定度。2、测量氢光谱巴尔末系各谱线的±1、±2级谱线衍射角6次，根据d值计算各谱线波长及不确定度。3、根据氢光谱巴尔末系各谱线的波长计算里德堡常数，并与公认值对比。4、实验误差分析。三、小型棱镜读（摄）谱仪测氢原子光谱实验要求：1、学习调节小型棱镜读（摄）谱仪；2、用读谱的方法测定氦氖光源各谱线位置坐标；3、与标准谱线比较，标定各谱线波长；4、用读谱的方法测定氢光源各谱线位置坐标；5、与氦氖谱线比较，用内插法计算巴尔末系谱线波长；6、根据巴尔末系谱线波长，计算里德堡常数，与公认值比较，并进行误差分析。实验仪器1、小型棱镜读（摄）谱仪；2、氢谱光源（见实验内容之二）；3、氦氖谱光源—辉光放电发光小型棱镜读（摄）谱仪测微目镜鼓轮调解狭缝调节氦氖光源氦氖灯电源位移调节手轮（摄谱用）小型棱镜读（摄）谱仪光路2L2S*SL1S1L2LF鼓轮测微目镜a.摄谱仪光路b.读谱部分棱镜读（摄）谱仪光路图L—聚光镜L1—平行光管透镜L2—暗箱物镜S—光源S1—平行光管狭逢S2—暗箱狭缝（读普用）F—底片（摄谱用）光路元件比较谱与待测谱xdx121内插法计算待测谱线波长：A’ABD’CDEC’iFGHI’IJJ’0i'0i恒偏向角棱镜原理〔小型棱镜读（摄）谱仪元件之一〕）（221211nRHHR是实验常数，称为里德伯(Rydberg)常数。HRnHHHH由上式确定的氢谱线为巴尔末线系，当n＝3，4，5，6时，所得的谱线分别标记为、、、。HHHH求里德堡常数的值，并与的公认值进行比较。HRHR试验操作提示1、摄谱仪狭缝前放好氢谱光源并接通电源，调节光源位置，调整摄谱仪（狭缝、鼓轮及测微目镜），使从目镜中观察到的谱线最明亮，记住氢谱线的大致位置。2、换上氦氖放电管，调整其位置，使观察到的谱线最明亮；对照实验室的光谱图，辨认出氢谱红线两侧的7条较亮氦氖谱线对应的波长。7条谱线的选择应使待测氢线位于中间一条氦氖谱线的长波一册，且与它相邻。依次顺序测出7条谱线的位置，共测6次，注意测微目镜每次同向移动，以消除空程误差。3、再换上氢灯，并调整使谱线最亮（摄谱仪的鼓轮、狭缝等均不得再调节）。测量氢谱红线位置，共测6次。测微目镜移动方向与上项相同。数据处理1、计算7条氦氖谱线位置的平均值及标准差，对照标准谱图，确定氦氖谱线的波长；计算氢红线位置的平均值及标准差；用内插法计算氢红线的波长。所得波长与公认值比较。（n=3,4,5和6所对应的波长值为656.313nm,486.215nm,434.092nm410.177nm）2、由氢谱线波长确定相应的n值，计算里德堡常数，并与公认值对比。注意事项1、摄谱仪是贵重精密仪器，使用时必须小心爱护。特别是狭缝，实验室已调好。2、调节光源位置时要注意安全，千万不要触及其电源的电极。3、转动鼓轮时动作要轻缓，测量时注意尽量使谱线像与目镜叉丝消视差，目镜需单方向平移，以减小空程影响。4、测量中移动测微目镜的测微鼓轮时不要移动目镜，以防止测微目镜位置移动。5、换光源时，除移动光源外，读谱仪的其它部分不能再调节。实验要求：四、光栅光谱仪1、测量钠灯光谱，进行波长偏移修正。2、测量汞灯光谱。3、测量钨灯光谱，加入滤色片后再测量吸收后的光谱。4、实验后绘制汞灯光谱，给出主要谱线波长及相对强度。5、绘制滤色片的吸收率曲线和吸收系数曲线。光栅光谱仪配置图电控箱待测光源计算机光源电源试验钨灯光谱仪光源光源电源光电倍增管USB控制器光栅光谱仪配置图光栅光谱仪光路GM1M2M3M4S1S2S3S*㎡光栅光谱仪光路说明S—光源；G—闪耀光栅（锯齿型反射光栅）；S1—狭缝，光线由此入射；M1—平面镜，改变光线方向，入射到M2上；M2—凹面反射镜，具有会聚和准值作用，光源发出的光线经M2入射到光栅G上；M3—凹面反射镜，具有会聚和准值作用，衍射光经M3入射到M4上；M4—平面反射镜，经会聚的衍射光线改变方向，从狭缝S2出射到逢外放置的CCD出；S2—出射光狭缝，外置CCD接受衍射光信号；S3—出射光狭缝，移去平面镜M4,衍射光线直接会聚在S3外侧放置的光电倍增管上平面光栅与闪耀光栅（a）平面反射光栅衍射(b）锯齿型反射光栅（闪耀光栅）衍射反射式光栅强度极大方向衍射中央极大dd干涉0级极大衍射中央极大N0m1m1ma.平面光栅0m1m2mb.闪耀光栅光栅各级谱线强度示意图数据处理由计算机处理数据、作图，打印结果。