用單色儀測(cè)定介質(zhì)的吸收曲線

1、用單色儀測(cè)定介質(zhì)的吸收曲線一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解單色儀的構(gòu)造原理并掌握其使用；2、 加深對(duì)介質(zhì)光譜特性的了解，掌握測(cè)量介質(zhì)的吸收曲線或透射曲線的原理和方法；3、 初步了解光電池的工作原理及其應(yīng)用。二、 實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)一束光入射到有一定厚度的介質(zhì)平板上時(shí)，有一部分被反射，另有一部分光被介質(zhì)吸收，剩下的光以介質(zhì)板透射出來(lái)。設(shè)有一束波長(zhǎng)為，入射光強(qiáng)為I0的單色平行光垂直入射到一塊厚度為d的介質(zhì)平板上，如圖1所示。若從界面1射回的反射光的光強(qiáng)為IR，從界面1向介質(zhì)內(nèi)透射的光的光強(qiáng)為I1，入射到界面2的光的光強(qiáng)為I2，從界面2出射的透射光的光強(qiáng)為IT，則定義介質(zhì)板的光譜外透射率T和介質(zhì)的光譜透射率Ti分別

2、為：T=ITI0Ti=I2I1這里，IR，I1，I2，IT都應(yīng)該是光在界面1和2上以及介質(zhì)中多次反、透射的總效果。通常，介質(zhì)對(duì)光的反射、透射和吸收不但與介質(zhì)有關(guān)，而且與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。這里為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，對(duì)以上及以后的各個(gè)與波長(zhǎng)有關(guān)的量都省略波長(zhǎng)標(biāo)記，但都應(yīng)理解為廣譜量。光譜透射率Ti與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為透射曲線。在介質(zhì)內(nèi)部（假定內(nèi)部無(wú)散射），光譜透射率Ti與介質(zhì)厚度d有如下關(guān)系：Ti=e-d式中，稱為介質(zhì)的線性吸收系數(shù)，一般也稱為吸收系數(shù)。它不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為吸收曲線。設(shè)光在單一界面上的反射率為R，則透射光的光強(qiáng)為IT=IT1+IT2+IT3+

3、IT4+.=I0(1-R)2e-ad+I0(1-R)2R2e-3d+I0(1-R)2R4e-5d+I0(1-R)2R6e-7d+.=I0(1-R)2e-ad(1+R2e-2d+R4e-4d+R6e-6d+.)=I0(1-R)2e-d1-R2e-2d式中，IT1，IT2分別表示光從界面2第一次透射，第二次透射的光的光強(qiáng)。所以T=ITI0=(1-R)2e-d1-R2e-2d通常，介質(zhì)的光譜透射率和吸收系數(shù)是通過(guò)測(cè)量由同一材料（相同）加工成的、表面性質(zhì)相同（R相同）但厚度不同的兩塊試樣的光譜外透射率后計(jì)算得出的。設(shè)兩塊試樣的厚度分別為和，光譜外透射率分別為T1和T2，則T2T1=e-d2(1-R2e

4、-2d1)e-d1(1-R2e-2d2)又一般R和都很小，故上式可近似為T2T1=e-（d2-d1）所以=lnT1-lnT2d2-d1綜合以上Ti=T2T1本實(shí)驗(yàn)中采用光電池和微電流放大器測(cè)量光強(qiáng)。合適條件下，光電池輸出的光電流與照射到它表面的光的光強(qiáng)成正比。光電流經(jīng)由微電流放大器后由數(shù)字表直接顯示其數(shù)值，從而計(jì)算光譜透射率和吸收系數(shù)，即Ti=n2n1=lnn1-lnn2d2-d1其中，n1和n2分別表示式樣厚度為d1和d2時(shí)微電流放大器上數(shù)字表的示值。三、 實(shí)驗(yàn)裝置圖2是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。本實(shí)驗(yàn)中使用單色儀為WDM1型光柵單色儀。它的光學(xué)系統(tǒng)由三部分組成：入射狹縫S1和準(zhǔn)直球面反射鏡M1構(gòu)成入

5、射準(zhǔn)直系統(tǒng)，以產(chǎn)生平行光束；反射光柵G為色散元件，以產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的單色光；聚焦球面反射鏡M2、平面反射鏡M3及出射狹縫S2構(gòu)成出射聚光系統(tǒng)，將光柵分出的單色光匯聚在出射狹縫S2上。圖中汞燈P用于單色儀的校準(zhǔn)。溴鎢燈F用于測(cè)量，溴鎢燈的工作電流有恒流源控制。自制的微電流放大器由高精度運(yùn)放與數(shù)字顯示組成。會(huì)聚透鏡L將光源F發(fā)出的白光會(huì)聚到入射狹縫S1上，然后投射到M1上。由于S1處在M1的焦平面上，因此M1的反射光成為平行光。此平行光經(jīng)光柵G衍射后分成一系列衍射方向不同的各種波長(zhǎng)的單色平行光。由于光柵裝置是與單色儀的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連的，因此當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)手輪K時(shí)，可使光柵旋轉(zhuǎn)，讓不同波長(zhǎng)的單色平行光相繼投

6、射到聚焦球面反射鏡M2上，并經(jīng)平面鏡M3反射后成像于出射狹縫S2上。如果S2寬窄合適，不同波長(zhǎng)的單色光就相繼從S2射出。波長(zhǎng)值可從單色儀的波長(zhǎng)讀數(shù)裝置上讀出。本實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作過(guò)程中，樣品插放在入射狹縫前，由2塊并排擺放的寬為4mm，厚度為0.8mm、2.8mm的釹玻璃組成。四、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)及注意事項(xiàng)（一）單色儀的調(diào)節(jié)和波長(zhǎng)示值的校準(zhǔn)1利用汞燈作為光源校準(zhǔn)單色儀的波長(zhǎng)示值1）波長(zhǎng)讀數(shù)裝置轉(zhuǎn)到577.0nm-579.1nm之間，汞燈放入射狹縫前，S1、S2寬度調(diào)至2mm；2）迎光觀察S2上汞的黃色譜線，用顯微鏡對(duì)準(zhǔn)出射狹縫，關(guān)小入射狹縫使兩譜線分開(kāi)至較細(xì)即可；3）關(guān)小出射狹縫，同時(shí)微動(dòng)手輪，是一條譜線

7、在縫中間，使狹縫與譜線同寬，讀單色儀示值；4） 轉(zhuǎn)手輪K讀下一條譜線；5） 檢查測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值（435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）之差，即儀器系統(tǒng)偏差（要求0.2nm）。2調(diào)節(jié)狹縫寬度1） 按步驟1中1）重新調(diào)節(jié)狹縫寬度2） 迎光觀察S2上汞的兩條黃色譜線，用顯微鏡對(duì)準(zhǔn)出射狹縫，調(diào)節(jié)入射狹縫S1使兩譜線剛好分開(kāi)，此時(shí)入射狹縫寬約0.8mm3）調(diào)出射狹縫S2，轉(zhuǎn)手輪K，使出縫寬度與譜線寬度相同，此時(shí)S1、S2同寬，約0.8mm3調(diào)節(jié)溴鎢燈光如圖3，將光源聚焦成像在狹縫前。聚光鏡通過(guò)光孔徑d=30mm，焦距f=60mm，單色儀球面鏡（準(zhǔn)直鏡）的光闌寬度D=50mm。成

8、像規(guī)律遵守高斯公式。此外為使球面鏡孔徑D充分照明，應(yīng)使dD=ab。（二）測(cè)量釹玻璃在610.0nm-550.0nm范圍內(nèi)的吸收曲線 用溴鎢燈作光源并進(jìn)行共軸調(diào)節(jié)，使外光路光軸與單色儀光軸重合，避免光線斜入射造成光能損失。1 手輪K調(diào)到610.0nm，通過(guò)S2觀察透鏡像，移動(dòng)透鏡，使像位于縫中，縮透鏡2 左右移動(dòng)溴鎢燈使像全亮。放樣品架B，記錄無(wú)樣品及薄、厚樣品在狹縫中間時(shí)的位置3 裝探測(cè)器，打開(kāi)微電流放大器，微動(dòng)溴鎢燈，使放大器示值最大4 調(diào)燈絲電流，使使放大器示值在1700-1900之間5 選定厚釹玻璃片，定性觀察釹玻璃對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收情況，確定吸收峰大致波長(zhǎng)位置。正式測(cè)量時(shí)，每隔1nm測(cè)一

9、次，吸收峰附近測(cè)量點(diǎn)應(yīng)更密一些，每隔3A°進(jìn)行一次測(cè)量。測(cè)量范圍610.0nm-550.0nm6 選擇薄釹玻璃片，在與厚釹玻璃片波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的位置測(cè)量7 根據(jù)兩組數(shù)據(jù)，求釹玻璃的吸收系數(shù)曲線五、 數(shù)據(jù)處理以及誤差分析1 單色儀的調(diào)節(jié)和波長(zhǎng)示值的校準(zhǔn)=_0.35_真值435.8546.1577.0579.1示值436.1546.5577.3579.5偏差0.30.40.30.42. 測(cè)量釹玻璃在610.0nm-550.0nm范圍內(nèi)的吸收曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表：（修正前）（修正后）n1n2a610.00 610.35 1.50 1.33 39.15 608.00 608.35 1.49 1

10、.35 32.87 606.00 606.35 1.48 1.34 33.24 604.00 604.35 1.45 1.28 40.91 602.00 602.35 1.42 1.22 50.80 600.00 600.35 1.38 1.16 60.29 598.00 598.35 1.35 1.08 73.95 596.00 596.35 1.28 0.89 121.39 594.00 594.35 1.22 0.75 160.95 592.00 592.35 1.22 0.80 140.91 590.00 590.35 1.19 0.75 154.55 589.50 589.85 1.

11、18 0.71 170.28 589.00 589.35 1.15 0.65 191.14 588.50 588.85 1.12 0.59 216.79 588.00 588.35 1.09 0.53 239.10 587.50 587.85 1.06 0.48 262.32 587.00 587.35 1.04 0.45 283.18 586.50 586.85 1.03 0.42 296.79 586.00 586.35 1.02 0.42 298.81 585.50 585.85 1.03 0.43 290.33 585.00 585.35 1.04 0.46 272.08 584.50

12、 584.85 1.06 0.51 246.21 584.00 584.35 1.08 0.56 216.84 583.50 583.85 1.11 0.63 189.42 583.00 583.35 1.13 0.69 161.50 582.50 582.85 1.14 0.75 140.46 582.00 582.35 1.15 0.79 127.86 580.00 580.35 1.13 0.76 131.34 578.00 578.35 1.05 0.52 235.51 576.50 576.85 1.02 0.54 214.80 576.00 576.35 1.02 0.53 215

13、.96 575.50 575.85 1.00 0.52 221.88 575.00 575.35 0.98 0.49 231.05 574.50 574.85 0.96 0.45 251.00 574.00 574.35 0.94 0.41 278.42 573.50 573.85 0.90 0.36 309.33 573.00 573.35 0.88 0.32 338.15 572.50 572.85 0.86 0.30 355.95 572.00 572.35 0.87 0.31 344.21 571.50 571.85 0.89 0.35 307.32 571.00 571.35 0.9

14、2 0.43 256.95 570.50 570.85 0.96 0.53 202.22 570.00 570.35 1.01 0.63 157.93 569.50 569.85 1.04 0.73 116.56 569.00 569.35 1.06 0.82 86.11 568.50 568.85 1.08 0.88 67.20 568.00 568.35 1.09 0.93 51.03 566.00 566.35 1.09 1.01 26.68 564.00 564.35 1.08 1.02 18.38 562.00 562.35 1.06 1.02 14.42 560.00 560.35

15、 1.04 1.01 12.69 558.00 558.35 1.03 0.99 12.59 556.00 556.35 1.00 0.97 10.80 554.00 554.35 0.98 0.95 10.35 552.00 552.35 0.96 0.93 10.57 550.00 550.35 0.94 0.91 10.41 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，繪制釹玻璃的吸收曲線，得到下圖。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及吸收曲線，我們可以比較明顯地發(fā)現(xiàn)釹玻璃的兩個(gè)吸收峰，分別是1 = 572.5nm, 1 = 298.81/m2 = 586.0nm, 2 = 355.95/m六、 思考題1、 校對(duì)單色儀的波長(zhǎng)示值為什么要用汞燈？而測(cè)量吸收曲線為什么要用溴鎢燈？答：校對(duì)單色儀波長(zhǎng)示值時(shí)應(yīng)當(dāng)采用有確定輻射可見(jiàn)譜線的光源，汞燈在可見(jiàn)光譜內(nèi)有確定的404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0579.0nm的可見(jiàn)譜線。因此使用汞燈可以幫助實(shí)驗(yàn)者確定單色儀的偏差。溴鎢燈光效高、壽命長(zhǎng)、光色更好，全譜范圍內(nèi)光譜連續(xù)且平滑，因此用于測(cè)量吸收曲線比較適合。2、 試討論單色儀的入射狹縫和出射狹縫的寬度對(duì)出射光單色性的影響。答：入射狹縫的寬度越小則出射光的單色性越好，出射狹縫的寬度與出射光的單色性無(wú)關(guān)。3、 實(shí)際上，微電流放大器的顯示值是釹玻璃片的光譜外投射率、光源的光譜能量分布和光電