用小型棱鏡攝譜儀測定光波波長完整

1、 用小型棱鏡攝譜儀測定光波波長 我們知道物質(zhì)的原子和分子都能夠輻射和吸收自己的特征光譜。分析物質(zhì)的輻射或吸收光譜，就可以了解物質(zhì)的組成和各成分的含量。由于光譜分析具有較高的靈敏度，特別是對低含量元素的分析準確度較高，分析速度快。因此，它在科學(xué)實驗和研究中有著重要應(yīng)用?！緦嶒?zāi)康摹?了解棱鏡攝譜儀的構(gòu)造原理。 掌握棱鏡攝譜儀的調(diào)節(jié)方法和攝譜技術(shù)。學(xué)會用照相法測定某一光譜線的波長?！緦嶒瀮x器】 玻璃棱鏡攝譜儀，汞燈，氦氖激光器，氦氖輝光器，讀數(shù)顯微鏡，暗室設(shè)備等?！緦嶒炘怼?， 棱鏡攝譜儀的構(gòu)造 （）準直管 準直管由狹縫S1和透鏡L1組成。S1位于L1的物方焦平面上。被分析物質(zhì)發(fā)出的光射入狹縫，

2、經(jīng)透鏡L1后就成為平行光。實際使用中，為了使光源S射出光在S1上具有較大的照度，在光源與狹縫之間放置會聚透鏡L，使光束會聚在狹縫上。 （）棱鏡部分 主要是一個（或幾個）棱鏡P，利用棱鏡的色散作用，將不同波長的平行光分解成不同方向的平行光。 （）光譜接收部分 光譜接收部分實際上就是一個照相裝置。它包括透鏡L2和放置在L2像方焦平面上的照相底板F，透鏡L2將棱鏡分解開的各種不同波長的單色平行光聚焦在F的不同位置上，如圖5141所示。由于透鏡對不同波長光的焦距不同，當(dāng)不同波長的光經(jīng)L2聚焦后并不分布在與光軸垂直的同一平面上，所以，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整照相底板F的位置，方可清晰的記錄各種波長的譜線。 分別是

3、波長為 和 的光所成的狹縫的像，叫做光譜線。各條光譜線在底板上按波長依次排列就形成了被攝光源的光譜圖。若光源輻射的波長 等為分立值，則攝得的光譜線也是分立的，叫做線光譜；若光源輻射的波長為連續(xù)值，則攝得的是連續(xù)光譜。 本實驗用的小型玻璃棱鏡攝譜儀，可用來拍攝可見光區(qū)域的光譜。其結(jié)構(gòu)與圖161所示的基本相同，但由于采用恒偏棱鏡代替三棱鏡P，因此，它的照相裝置中光學(xué)系統(tǒng)的光軸與準直管的光軸垂直如圖5142所示。 攝譜儀的性能 （）色散 色散代表儀器的分光能力，是衡量復(fù)色光經(jīng)儀器色散后各單色光分散的程度。為了得到質(zhì)量較好的光譜，某一波長的譜線總是以最小偏向角的狀態(tài)通過棱鏡，由于不同波長的譜線有不同的

4、最小偏向角，所以可用角色散表示棱鏡色散的特征（相差單位波長的兩譜線分開的角距離）。棱鏡的角色散D為 ： 實際應(yīng)用時，常使用線色散D1來表示相差單位波長的兩譜線在光譜面上分開的距離 由（5142）和圖5143得： （5143）式中，f2是聚光透鏡L2的焦距，是底片與垂直光軸平面的夾角。顯然，儀器的線色散數(shù)值越大，不同波長兩譜線中心分開的距離越遠。 （）分辨本領(lǐng) 儀器分辨本領(lǐng)是指在用攝譜儀攝取波長為 附近的光譜時，剛剛能分辨出兩譜線的波長差。用R表示： 該式中 d 為能夠分辨的兩譜線波長差。顯然 d 值越小，攝譜儀分辨光譜的能力越高。 根據(jù)瑞利判據(jù)，色散棱鏡的理論分辨本領(lǐng)為： 在（5145）式中，

5、b 為棱鏡底邊的有效寬度?？梢姡岣呃忡R攝譜儀的光譜分辨本領(lǐng)，必須選用高色散率的材料制作色散棱鏡，且底邊b要寬。（）相對孔徑 為了使照相底片上譜線能有較大的照度，縮短攝譜時間，在不計光通過攝譜儀系統(tǒng)的光能損失時，譜線的照度E主要決定于進光狹縫的亮度B和照相物鏡L2。當(dāng)透光孔徑為D，焦距為f2時，相對孔徑為D/ f2，即： 因此，要增加譜線的照度，可應(yīng)用聚光照明系統(tǒng)，提高狹縫的亮度，并選用相對孔徑大的照相物鏡。 本實驗將使用小型棱鏡攝譜儀，通過拍攝氦氖輝光和氦氖激光的比較光譜，測定氦氖激光的波長。比較光譜就是將已知波長的譜線組和待測波長的譜線組并列記錄在同一底片上，只要記錄時，保持各譜線組不發(fā)

6、生橫向移動，便可使輝光放電譜線的已知波長，利用線性內(nèi)插法，測知激光譜線的波長。拍攝光譜 用如圖5144所示的哈曼光闌遮光的方法拍攝比較光譜。它有三個方形小孔，第一孔的下面一條邊與第二孔的上面一條邊在同一直線上。光闌裝在攝譜儀的狹縫前，左右移動光闌，可將其上的三條刻線中任意一條對準狹縫外殼的邊緣，這時，與該刻線相對應(yīng)的孔與狹縫相合。假如我們先用第一孔拍攝已知波長的光譜（如汞燈的光譜），移動光闌再用第二孔拍攝待測光源（如氦氖激光）的光譜，第三孔拍攝已知波長的光譜（如氦氖輝光的光譜），那么在沖洗好的照片底板上就得到三列光譜，兩列已知光譜的譜線與待測光譜的譜線在豎直方向恰好相銜接而又不相重疊，如圖51

7、45所示。 測量譜線波長 假設(shè)在圖5145中一個較小的波長范圍內(nèi)，攝譜儀棱鏡的色散是均勻的，可以認為譜線在底板上的位置與波長有線性關(guān)系，即: （5147）式中，1、2、3 為已知譜線的波長，介于1 與2 之間的待測譜線波長為x ，它們在底板上的位置分別為 n1、 n2和nx。所以，待測譜線的波長為: 可見，只要在底板上測出譜線的位置n1、n2和nx，就可用（5148）式計算出待測譜線的波長x?！緦嶒瀮?nèi)容】 攝譜儀的調(diào)節(jié) （）調(diào)節(jié)共軸，將光源S置于準直物鏡 1 L 的光軸上。 調(diào)節(jié)器時，先將汞燈點亮預(yù)熱，豎直放置與入射縫等高，沿攝譜儀的底座導(dǎo)軌將汞燈移遠，從暗盒中央向攝譜儀內(nèi)觀察，調(diào)整光源的位置

8、，使光源的像位于照相物鏡 2 L的中央。此時，汞燈已位于 1 L 的光軸上。 （）在光源與狹縫 1 S 之間加入聚光照明透鏡 L ，調(diào)節(jié)透鏡 L 的位置，使光源成像在入射縫上。若更換光源，只能調(diào)整光源的位置，而透鏡 L 的位置不應(yīng)變動，以保證光源始終處在準直物鏡 1 L 的光軸上。 （）取掉狹縫罩蓋，在放置照相底板的位置上放一塊毛玻璃，這時可看到汞燈的線光譜。調(diào)節(jié)照相物鏡位置和縫寬，注意觀察毛玻璃上是否所有譜線都清晰，若不清晰還需調(diào)節(jié)暗匣相對于系統(tǒng)軸線的傾角。 注意：在一般情況下盡量避免將縫寬調(diào)到零，以免損壞刀口！ （4）慢慢轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動螺旋，可調(diào)整棱鏡的位置，使被觀察的光譜段位于適中的位置，記錄

9、實驗數(shù)據(jù)?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】 序號顏色黃左mm（n1）綠mm（nx）紫右mm(n2)x18.10611.80143.146561.47428.11911.80643.127 561.49838.12211.80343.106 561.51548.10711.80443.098 561.43858.04611.70343.079 561.66168.07311.74843.087 561.56178.03211.69843.056 561.61188.01911.70943.075 561.50898.02211.71143.041 561.493108.03211.74943.076 561.

10、367汞燈的譜線： 譜線從左到右分別為：579.96nm（黃左）、579.07nm（黃右）、546.07nm（綠）、491.60nm(青)、435.83nm（藍）、407.78nm（紫左）、404.66nm（紫右）。 本實驗中綠色光譜為待測光譜。要用已知光譜579.96nm（黃左）和404.66nm（紫右）來計算出綠色光譜長度。根據(jù)公式（5148）可求出x。 波長x的平均值為： 任意一次測量的標準差為： 實驗裝置的游標示值誤差為： =0.0002mm 波長不確定度的A類分量為： = = B類分量為： = = 于是，波長的合成不確定度為： 相對不確定度為： 測量的結(jié)果表達為：【注意事項】 選擇聚光透鏡L的焦距和位置時，應(yīng)注意保持透鏡孔徑對入射狹縫的張角 和攝譜儀準直物鏡的入射孔徑 相匹配。如圖5164所示。因為當(dāng) > D/f1時，一部分照