關(guān)于平面光柵單色儀狹縫調(diào)零的相關(guān)問(wèn)題

1、關(guān)于平面光柵單色儀狹縫調(diào)零的相關(guān)問(wèn)題吳嘯林吳嘯林 0530112n光譜線系的規(guī)律與原于結(jié)構(gòu)有內(nèi)在的聯(lián)系. 因此,光譜是研究原于結(jié)構(gòu)的一種重要的方法. 氫原子是目前自然界存在的最簡(jiǎn)單的原子，便于從實(shí)驗(yàn)上和理論上對(duì)它進(jìn)行研究. 人們正是通過(guò)對(duì)氫原子的研究一步步了解了原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu). n研究氫原子光譜的主要儀器之一是平面光柵單色儀. 準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)零(入射縫和出射縫)是使用平面光柵單色儀的第一步, 也是繪制出分辨率較高的光譜的前提.n下面介紹幾種實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象, 并討論一些狹縫調(diào)零的相關(guān)問(wèn)題.氫氘光譜試驗(yàn)基本原理 n從第n2層躍遷到第n1層的光子波數(shù)為 n上式顯示了光譜規(guī)律,式中R可用物理常數(shù)表示

2、為 nu是電子與原子核的約化質(zhì)量. 對(duì)于氫和其同位素氘而言 注: n1=2的組譜線即巴耳末線系, 一般將從P, O, N層躍遷到L層的三條譜線分別稱為氫 的 譜線.2212111()Rnn2432ech11HeHRRmm11112DeeDHRRRmmmm2432eRchn按照操作規(guī)范使用前應(yīng)該進(jìn)行調(diào)零. n這步調(diào)零工作在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中顯得尤為重要. 如果實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)不仔細(xì)調(diào)零, 在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中, 很難調(diào)整狹縫到打開(kāi)一個(gè)合適的寬度. n入射縫開(kāi)得太寬, 入射光源就不能看成點(diǎn)光源, 光譜分辨率就會(huì)降低; 反之, 縫窄到與入射光波長(zhǎng)可比擬, 會(huì)產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象. n出射縫太寬, 探頭就會(huì)接收到的就不只

3、是一條尖銳的亮紋, 導(dǎo)致分辨率降低; 反之, 接收到的光子數(shù)太少, 不利于制圖 (尤其在出射光不是嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)出射縫中心時(shí)). 因此在使用光柵單色儀前必須調(diào)零.右圖所示的平面光柵單色儀n球面鏡n反光鏡n準(zhǔn)光鏡n平面光柵n準(zhǔn)光鏡n反光鏡n光電倍增管接收器n圖2調(diào)到零點(diǎn)才是調(diào)零? n圖2是在波長(zhǎng)410nm左右處的定點(diǎn)掃描譜像, 縫寬從一個(gè)較大的值開(kāi)始逐漸減小到CD段光強(qiáng)為零, D點(diǎn)以后迅速增大縫寬, 至圖中峰值再減小. 如果先固定出射縫寬(非零), 再調(diào)節(jié)入射縫寬度至光強(qiáng)近似為零. 那么在圖2中, 就應(yīng)該認(rèn)為C點(diǎn)稍前的位置縫寬調(diào)到了零點(diǎn), 但無(wú)法解釋出現(xiàn)AB, EF兩段“平臺(tái)”的原因. n考慮到我們所

4、用的儀器在以前的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中縫寬多次被調(diào)到零點(diǎn)以下, 就可以給出解釋. 狹縫因受到擠壓而形變, 在真正的零點(diǎn)處仍有少量光子透過(guò), 從而產(chǎn)生“平臺(tái)”. 當(dāng)然如果繼續(xù)擠壓, 到一定程度狹縫前后錯(cuò)位, 不再有光子通過(guò). 因此, 合適的零點(diǎn)應(yīng)該在A和E左邊一點(diǎn)的位置.n縫寬增大和減小時(shí)的譜線軌跡不完全重合 在零點(diǎn)附近反復(fù)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)縫寬的旋鈕會(huì)注意到縫寬增大和減小到同一數(shù)值是光強(qiáng)并不完全相等 這主要是由機(jī)械構(gòu)造導(dǎo)致的, 在別的實(shí)驗(yàn)中也遇到過(guò)(例如牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)). 先向某一方向旋轉(zhuǎn)旋鈕再向反方向旋轉(zhuǎn)時(shí), 由于機(jī)械原因, 縫寬并不會(huì)立即向反方向改變.n本底大小變化程度較大 實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者也許會(huì)注意到本底大小隨波長(zhǎng)增

5、大而減小, 而且其幅度較大, 400nm左右處的本底大小是490nm處的兩倍以上. 其原因主要是由于巴爾莫系中有多條波長(zhǎng)在370到400nm之間的譜線, 相對(duì)氫待觀察的三條譜線而言, 是從更高能級(jí)上躍遷到L層上的, 躍遷概率較小, 譜線高度也比較小; 同時(shí)他們譜線之間的距離較近, 在分辨率不是很高的時(shí)候, 看上去就像是連續(xù)的本底. n將入射縫調(diào)窄, 出射縫調(diào)寬后記錄的譜線, 左圖中似乎可以看到一個(gè)主峰以及右邊的一個(gè)小峰. 依照前面的分析, 氘的譜線波長(zhǎng)比氫小, 似乎樣品中氘的含量較高.n但是事實(shí)并非如此, 當(dāng)入射縫較窄時(shí)衍射比較明顯, 同時(shí)出射縫太寬, 導(dǎo)致分辨率極低, H-D譜線相互疊加,

6、在中間形成一個(gè)高于氫峰的峰, 造成誤導(dǎo). (簡(jiǎn)易計(jì)算可知, 光柵衍射出的次級(jí)極大不會(huì)通過(guò)出射縫, 圖中左峰并非氘的零級(jí)和次級(jí)明條紋的疊加)n稍加調(diào)整后, 獲得右圖, 雖說(shuō)此時(shí)譜線分辨率依然不高, 但正常的雙重線已清晰可辨 針對(duì)儀器狀態(tài)采用特定的調(diào)零方法 n綜合上述分析, 比較合適的調(diào)零方法是先將出射縫固定在一個(gè)非零位置, 然后在一定范圍內(nèi)單方向調(diào)節(jié)入射縫, 觀察到類似圖1中 A-B-C的變化趨勢(shì)時(shí), 在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)旋鈕, 使光強(qiáng)在一個(gè)大于零的平臺(tái)上小幅振動(dòng)(如AB, EF), 此時(shí)可認(rèn)為調(diào)到入射縫零點(diǎn). 以同樣方法調(diào)劑出射縫. 在開(kāi)始采集數(shù)據(jù)后, 把兩個(gè)狹縫打開(kāi)0.02-0.04mm, 這樣可以做出分辨率比較高的譜線. 四幅譜圖中, 上面兩幅分別是496.13nm處調(diào)零合適(右)與否(左)時(shí)的譜線.下面兩幅分別是410.18nm處調(diào)零合適(右)與否(左)時(shí)的譜線. (為了看得更清楚左邊兩幅圖作過(guò)光滑處理) 很明顯, 后者分辨率較高. n