大学物理实验---单色仪的定标和光谱测量

实验报告页1BY王有识实验题目：单色仪的定标和光谱测量实验目的：了解光栅单色仪的原理,结构和使用方法，通过测量钨灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。实验原理：一.光栅单色仪的结构和原理如下图所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。单色仪的光源有：火焰、电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。如下图所视，当入射光与光栅面的法线N的方向的夹角为φ（见图）时，光栅的闪耀角为θ。取一级衍射项时，对于入射角为φ，而衍射角为θ时，光栅方程式为：d(sinφ＋sinθ)=λPMTM2GM1S1：入射狭缝S2：出射狭缝M1：离轴抛物镜G：闪耀光栅M2：反光镜PMT：光电倍增管S2实验报告页2BY王有识因此当φ、θ一定时，波长λ与d成正比。几何光学的方向为闪耀方向，则可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于反射角的方向，即)(bbθθθφ−−−=−，所以有φθθ−=b2，光栅方程式改为：λφθφ=−+))2sin((sinbd单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm光栅的面积64×64mm2光栅的刻划密度为1200线/mm二、狭缝宽度缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小。最佳狭缝宽度为：Dfanλ=86.0。其中f为抛物镜的焦距，D是由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，实验中f＝500mm，D=64mm。根据光学的理论知识可知，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。理论上它们分别为：实验报告页3BY王有识式中N为光栅的总线数，在本实验中N为64×1200=76800，m为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。实验数据及数据处理：(数据以文本文档中为准)1、光栅单色仪的定标―――钠灯光谱Figure1钠灯光谱主线系峰值数据：1、589.0002、589.625与标准值之间误差：𝛥1=|589.000−589.0|589.0=0.00%θλθcosNdd=θλθθcosdmddD==mNdR==λλ实验报告页4BY王有识𝛥2=|589.625−589.6|589.6=0.004%Figure2钠灯光谱锐线系峰值数据：1、615.4132、616.050与标准值之间误差：𝛥1=|615.413−615.4|615.4=0.002%𝛥2=|616.050−616.0|616.0=0.008%Figure3钠灯光谱漫线系1实验报告页5BY王有识峰值数据：1、568.2502、568.825与标准值之间误差：𝛥1=|568.250−568.3|568.3=0.009%𝛥2=|568.7−568.86|568.86=0.006%Figure4钠灯光谱漫线系2峰值数据：1、497.8122、498.250与标准值之间误差：𝛥1=|497.812−497.78|497.78=0.006%𝛥2=|498.250−498.2|498.2=0.01%2、低压汞灯光谱测量实验报告页6BY王有识Figure5低压汞灯黄光强峰值数据：1、576.9252、579.050与标准值之间误差：𝛥1=|576.925−576.96|576.96=0.006%𝛥2=|579.050−579.07|579.07=0.003%Figure6低压汞灯蓝绿光强实验报告页7BY王有识峰值数据：1、491.637与标准值之间误差：𝛥1=|491.637−491.60|491.60=0.008%Figure7低压汞灯黄光弱峰值数据：1、585.9252、589.000与标准值之间误差：𝛥1=|585.925−585.92|585.92=0.0009%𝛥2=|589.000−589.02|589.02=0.003%本组实验由于测蓝绿光的弱光谱，而实验环境中并不是完全黑暗，难免会有光对实验产生干扰，所以实验所得的图像很不理想，但是还是可以分辨出波峰。并且数据分析表明所得的结果与标准值相差不是很大，因此可以认为实验是有效的。3、红宝石晶体的发射和吸收光谱测量实验报告页8BY王有识Figure8红宝石晶体的发射谱线峰值数据：1、692.8752、694.288Figure9红宝石晶体的吸收谱线峰值数据：1、361.8330.002、472.51864.03、623.11477.0实验报告页9BY王有识Figure7红宝石晶体的吸收谱线背景峰值数据：1、479.32332.0借助于origin由图10及图9横坐标对应的纵坐标相减得的被吸收的谱线如下图11250300350400450500550600650700750800850-800-600-400-2000200400600800100012001400160018002000图11合成红宝石吸收光谱实验报告页10BY王有识结论：由图可以看出红宝石对波长为428.5nm和549.2nm左右的光吸收最为明显。红宝石晶体的发光原理：红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Gr2O3。Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在氦氖灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了氦氖灯发射的光子而被激发到E3能级。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2，处于亚稳态E2的离子跃迁到基态E1时辐射出光，这就是红宝石的发光原理。红宝石的应用：红宝石激光器是医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。4、LED光谱的测量实验报告页11BY王有识峰值数据：1、463.750LED灯发光的工作原理:LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的核心部分是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端是连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED灯发光的应用：实验报告页12BY王有识LED灯能让很小的通过电流几乎全部转化成可见光。LED灯具有以下优点：一、高光效LED光效达50～200流明/瓦，光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。二、高节能具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个10～12瓦的LED光源发出的光能与一个35～150瓦的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果LED比传统光源节能80%～90%。三、光色多可以选择白色或彩色光，红色、黄色、蓝色、绿色、黄绿色、橙红色等。四、安全性高LED光源使用低电压驱动,发光稳定，无污染，没有50HZ频闪，没有紫外线B波段，白色色温5000K，最接近太阳色温5500K。五、寿命长LED利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击，LED单管寿命10万小时，光源寿命在2万小时以上，按每天工作12小时寿命也在5年以上。六、快速响应LED发光管响应时间很短。采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。七、运行成本低其他光源不仅耗电是LED光源的2~10倍，而且几乎每月都要更换，在器件更换和人工方面的花费很大。因此选用使用寿命长的LED光源从长远看非常经济。实验报告页13BY王有识更具以上优点，它可以作为照明设备应用于各行各业的照明工作中，而且具有绝对的优越性。实验小结：1、在实验开始时，应估计好狭缝的宽度，以便更方便的找到吸收光谱；2、在实验进行中，应该关闭其他用不到的光源，一个原因是要防止光源发出的光对实验光源产生干扰，另一个原因是光源本身是有一定寿命的，减少其点亮时间以延长期使用期限；3、在开始实验时，在没有关灯的情况下是不可以加电压的，是为了防止损坏光倍增管，在关灯后才可以加电压；4、实验中最重要的就是光路的调节，调节时要细心并且耐心，在必要的时候，可以用一张白纸放置于狭缝处以便调整透镜来聚光；5、实验中，为了更快的验证光路是否调整正确，可以先用粗分辨率进行扫描，有时也可以把扫描区间设置的小一些，这样可以有效提高实验效率；思考题：1、说明钨灯、钠灯和汞灯的光谱的区别和道理？实验报告页14BY王有识答：可以看出钨灯的光谱是比较连续的，并且范围很大，而钠灯和汞灯的光谱则是分立的；原因，可能是因为钠灯和汞灯是高温气体产生光的，而钨灯则是靠高温固体发光。2、如何求出入射狭缝的最佳宽度？答：00.86fnaWDλ==；当00.86fnaaWDλ===时最佳（D为光栅的宽度，f为等效会聚透镜的焦距）3、单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和计算？答：理论分辨本领R的计算：m为干涉级次，m=1，N为光栅的总线条数。实际分辨本领的测量和计算，原理和操作如下：测出a和b。测出λ1和λ2的粗略值，再测出精确的λ1和λ2的值和半峰。由以上公式计算出实际分辨本领。4、比较单色仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两者差别大的mNdR==λλλ∆λλλλλλδλδλλ∆=+=−==R2/)(1212ab实验报告页15BY王有识原因？答：实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，实际的谱线半角宽度远远大于理论值。所以实际会比理论的小。5、解释光电倍增管的工作原理，为什么随着副高压的绝对值越大，采集的灵敏度会显著提高？答：光电倍增管的基本结构和工作原理如下：当光子打到光电倍增管（简称GDB）的光电阴极K上时，由于光电效应会产生一些光电子，这些光电子在光电倍增管中的电场作用下飞向阳极A，在阴极K和阳极A之间还有n个电极(D1—Dn)叫做倍增极，极间也有一定的电压（几十到百伏），在极间电压的作用下飞向阳极A的光电子被一级一级的加速，在加速的过程中它们以高速度轰击倍增极，使倍增极产生二次电子发射，这样就使得电子的数目大量增加，并逐极递增，最后到达阳极的电子就会很多，形成很大的阳极电流，由于倍增极的倍增因子基本是常数，所以当光信号变化时，阴极发射的电子的数目也随之变化，从而阳极电流也随着光信号发生变化。这样光电倍增管就可以反映光强随时间的变化。