用光學(xué)多通道分析器進(jìn)行光譜定性分析(課題)

1、用光學(xué)多通道分析器進(jìn)行光譜定性分析每種物質(zhì)都有其獨(dú)特的分子和原子結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相應(yīng)的能級(jí)分布，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)會(huì)形成該物質(zhì)所特有的分子光譜或原子光譜，稱特征光譜線。通過(guò)光譜觀測(cè)獲取物質(zhì)內(nèi)、外信息，就是光譜分析。根據(jù)光譜形成的機(jī)理，光譜分析可分為發(fā)射光譜分析、吸收光譜分析、散射光譜分析、熒光光譜分析等幾大類；從分析目的來(lái)看，可分為光譜定性分析、光譜半定量分析和光譜定量分析。本實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行光譜定性分析。預(yù)習(xí)要求調(diào)研單色儀的分光原理，了解閃耀光柵的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，設(shè)計(jì)方案利用氫光譜測(cè)量里德堡常數(shù)。調(diào)研CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理。實(shí)驗(yàn)儀器WGD6型光學(xué)多道分析器，由光柵單色儀，CCD接收單元，掃描系統(tǒng)，電子

2、放大器，A/D采集單元，計(jì)算機(jī)組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體。光學(xué)系統(tǒng)采用C-T型，如圖1所示。圖1 光學(xué)原理圖入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0-2mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過(guò)S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成像在S2上。M2、M3 焦距302.5mm光柵G 每毫米刻線600條 閃耀波長(zhǎng)550nmS2 CCD接收單元 S3 觀察窗M4 轉(zhuǎn)鏡 轉(zhuǎn)動(dòng)M4可實(shí)現(xiàn)S2和S3之間的轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)原理1單色儀簡(jiǎn)介單色儀是用來(lái)從具有復(fù)雜光譜組成的光源中，或從連續(xù)光譜中分離出“單色光

3、”的儀器。所謂“單色光”是指相對(duì)于光源的光譜形成而言，其波長(zhǎng)范圍極狹窄、以致可以認(rèn)為只是單一波長(zhǎng)的光。世界各國(guó)生產(chǎn)了種種不同類型的單色儀，為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用方便，極大多數(shù)單色儀都采用恒偏向系統(tǒng)，因而儀器的入射狹縫和出射狹縫都可安裝在固定不變的位置，只要旋轉(zhuǎn)色散棱鏡、光柵或自準(zhǔn)直反射鏡即可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)，從出射狹縫射出不同波長(zhǎng)的單色裝束。單色儀的基本性能指標(biāo)（1）工作波長(zhǎng)范圍工作波長(zhǎng)范圍表明單色儀輸出的、能滿足工作要求的單色光束所能覆蓋的波長(zhǎng)范圍。（2）線色散率和光譜分辨率與儀器配用的色散組件的角色散率與光譜聚焦物鏡的焦距決定單色儀的線色散率，通常以線色散率倒數(shù)形式給出儀器的色散能力。在棱鏡單色儀

4、中，線色散率是隨工作波長(zhǎng)變化而有明顯變化的，所以必須在給出線色散率數(shù)值時(shí)標(biāo)明波長(zhǎng)數(shù)值。單色儀的光譜分辨率表明該儀器在較嚴(yán)格的工作條件、較窄的狹縫寬度時(shí)所能達(dá)到的最高分辨率。對(duì)于一般性能單色儀，常常不給出具體分辨率數(shù)值，而指明儀器可以清晰分辨開(kāi)的某些元素光譜線（例如鈉元素的D光雙線）；對(duì)于高分辨單色儀，則常需給出具體的可分辨波長(zhǎng)間隔值。（3）波長(zhǎng)精度和重復(fù)性這兩個(gè)指針表明單色儀出射光束的真實(shí)波長(zhǎng)值與儀器指示值之間的偏差，以及多次重復(fù)時(shí)的重現(xiàn)程度。單色儀的波長(zhǎng)精度和重復(fù)性由儀器的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或波長(zhǎng)掃描機(jī)構(gòu)及波長(zhǎng)示數(shù)機(jī)構(gòu)的工作精度決定。波長(zhǎng)重復(fù)性還受到機(jī)械傳動(dòng)空間、摩擦力、電子系統(tǒng)噪聲等隨機(jī)因素的影

5、響。在大多數(shù)單色儀中，儀器的波長(zhǎng)精度值大致與其分辨率數(shù)值相近（但帶±號(hào)，即容許雙向偏差），而波長(zhǎng)讀數(shù)的重復(fù)性數(shù)值（取若干次重復(fù)測(cè)定中的最大偏差值）則等于波長(zhǎng)精度的絕對(duì)值。（4）雜散光單色儀的雜散光是指出射光束中所需光譜寬度范圍以外其它波長(zhǎng)的光輻射量，這種不需要的“雜光”輻射混在所需波帶的輻射中輸出，不但使出射光束的單色性降低，而且形成光度測(cè)定工作中的背景光，降低檢測(cè)信噪比，甚至“淹沒(méi)”微弱的有用光輻射信號(hào)。通常，以達(dá)到輻射探測(cè)器的“雜光”通量與選定的所需波長(zhǎng)通量之比作為雜散光強(qiáng)度的度量，實(shí)用上以百分?jǐn)?shù)表示。由于散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)四次方成反比，所以單色儀的雜散光強(qiáng)度隨工作波長(zhǎng)范圍不同而不

6、同，因此給出雜散光強(qiáng)度時(shí)應(yīng)同時(shí)標(biāo)明波長(zhǎng)值。WGD6型光學(xué)多道分析器規(guī)格與主要技術(shù)指標(biāo)：波長(zhǎng)范圍 300900nm焦距 302.5mm相對(duì)孔徑 D/F=1/7分辨率 優(yōu)于0.2nm 波長(zhǎng)精度 ±0.4nm波長(zhǎng)重復(fù)性 ±0.2nm雜散光 10-3CCD（電荷耦合器件） 接收單元 2048光譜響應(yīng)區(qū)間 300900nm 積分時(shí)間 9檔（每檔53毫秒）重量 20kg2光譜定性分析 光譜定性分析是根據(jù)物質(zhì)的光譜中是否存在某種元素的特征光譜線，以判斷該物質(zhì)中是否含有該元素。用光學(xué)多道分析器采集某已知物質(zhì)的光譜，并對(duì)其各譜線進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)，再采集未知物質(zhì)的光譜，讀取其各譜線相應(yīng)波長(zhǎng)值，根據(jù)

7、特征光譜，判定其為何種物質(zhì)。3用氫光譜測(cè)量里德堡常數(shù)根據(jù)玻爾理論，可以導(dǎo)出氫原子光譜線的公式 (1)式中v叫波數(shù)，是波長(zhǎng)的倒數(shù)，它表示單位長(zhǎng)度內(nèi)波的數(shù)目。R叫里德伯常數(shù)，其實(shí)驗(yàn)值R=1.0968×107米-1。當(dāng)K=2時(shí)，（1）式成為 該式稱巴耳末公式，該系列光譜線叫巴耳末系，前四條譜線分布在可見(jiàn)光范圍。通過(guò)測(cè)定氫原子光譜，驗(yàn)證里德堡常數(shù)。實(shí)驗(yàn)要求：學(xué)會(huì)光譜定性分析的方法。課題任務(wù)及部分實(shí)驗(yàn)方案參考1準(zhǔn)備工作（1）接通電源前，認(rèn)真檢查接線是否正確。（2）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)檢查轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的位置，確認(rèn)是否是工作位置，若CCD接收，可將開(kāi)關(guān)指示在“CCD”檔；若觀察譜線，可將開(kāi)關(guān)指示在“觀察”檔。（3）入射狹縫S1的調(diào)正狹縫為直狹縫，寬度范圍02mm連續(xù)可調(diào)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小，每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.5mm。為延長(zhǎng)使用壽命，調(diào)節(jié)時(shí)注意最大不超過(guò)2mm，平日不使用時(shí)，狹縫最好開(kāi)到0.10.5mm左右。 2操作方法軟件安裝后，會(huì)在“開(kāi)始”菜單中的“程序”選項(xiàng)下出現(xiàn)“CCD”菜單。點(diǎn)擊“CCD”菜單，將啟動(dòng)CCD軟件控制處理系統(tǒng)。（要求先開(kāi)硬件，再開(kāi)軟件）進(jìn)入系統(tǒng)