大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)6-23 光譜測(cè)量與光譜分析

1、121.了解光柵光譜儀的工作原理；了解光柵光譜儀的工作原理；2.掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行測(cè)量的基本技術(shù)。掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行測(cè)量的基本技術(shù)。3u 特征光譜：特征光譜：每一種元素在發(fā)光或吸光時(shí)都有其各自所特有每一種元素在發(fā)光或吸光時(shí)都有其各自所特有的光譜線的光譜線特征譜線。所以，光譜是人們認(rèn)識(shí)了解物質(zhì)成特征譜線。所以，光譜是人們認(rèn)識(shí)了解物質(zhì)成份的重要手段，在已知的元素中有近份的重要手段，在已知的元素中有近1/51/5都是通過(guò)光譜分都是通過(guò)光譜分析來(lái)發(fā)現(xiàn)的。析來(lái)發(fā)現(xiàn)的。u 光譜儀：光譜儀：用于進(jìn)行光譜測(cè)量和物質(zhì)光譜分析的裝置。其主用于進(jìn)行光譜測(cè)量和物質(zhì)光譜分析的裝置。其主要作用：要作用：1.1.分

2、解和分析光譜；分解和分析光譜；2.2.測(cè)定波長(zhǎng)與能量的對(duì)應(yīng)關(guān)測(cè)定波長(zhǎng)與能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制光譜圖。系，繪制光譜圖。u 光柵作用：光柵作用：光柵具有分光色散作用（同級(jí)光譜中不同的波光柵具有分光色散作用（同級(jí)光譜中不同的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的衍射角），通過(guò)光柵可以把光譜中的不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的衍射角），通過(guò)光柵可以把光譜中的不同波長(zhǎng)分解開(kāi)來(lái)。所以它是光柵光譜儀的核心組成部分。長(zhǎng)分解開(kāi)來(lái)。所以它是光柵光譜儀的核心組成部分。光譜分析與光譜儀光譜分析與光譜儀421chhEEE 如圖所示，處于能級(jí)如圖所示，處于能級(jí)E1的原子吸收能量躍遷到高能態(tài)的原子吸收能量躍遷到高能態(tài)E2時(shí)時(shí),將向下躍遷并發(fā)出相應(yīng)能級(jí)差的光子：將

3、向下躍遷并發(fā)出相應(yīng)能級(jí)差的光子：原子發(fā)光原子發(fā)光2E1EhEc所以，測(cè)出元素的某一波長(zhǎng)，根據(jù)其對(duì)應(yīng)的所以，測(cè)出元素的某一波長(zhǎng)，根據(jù)其對(duì)應(yīng)的能級(jí)差就可以算出普朗克常數(shù)能級(jí)差就可以算出普朗克常數(shù)h.透射率透射率光通過(guò)任何物質(zhì)時(shí)都會(huì)被不同程度地吸收。定義單色光透光通過(guò)任何物質(zhì)時(shí)都會(huì)被不同程度地吸收。定義單色光透過(guò)一定厚度的物質(zhì)時(shí)的百分透射率為：過(guò)一定厚度的物質(zhì)時(shí)的百分透射率為：0100%ITI其中其中I0 和和I分別是光從該物質(zhì)的入射和出射光強(qiáng)。分別是光從該物質(zhì)的入射和出射光強(qiáng)。5光柵光譜儀（單色儀）分光原理光柵光譜儀（單色儀）分光原理由狹縫由狹縫S1入射的復(fù)色光，經(jīng)入射的復(fù)色光，經(jīng)M2變成復(fù)色平行

4、光照射到光柵變成復(fù)色平行光照射到光柵G上，經(jīng)光柵色上，經(jīng)光柵色散后，不同波長(zhǎng)的平行光束以不同的衍射角出射。通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵散后，不同波長(zhǎng)的平行光束以不同的衍射角出射。通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵G改變角改變角度，就可使某一波長(zhǎng)的光經(jīng)度，就可使某一波長(zhǎng)的光經(jīng)M3聚焦在出射狹縫聚焦在出射狹縫S2或或S3上，再由上，再由S2后面的電后面的電光探測(cè)器記錄該波的波長(zhǎng)、光強(qiáng)度等信息，并將數(shù)據(jù)輸入電腦處理。通過(guò)光探測(cè)器記錄該波的波長(zhǎng)、光強(qiáng)度等信息，并將數(shù)據(jù)輸入電腦處理。通過(guò)S3則可直接觀察光譜線。則可直接觀察光譜線。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)光柵光柵物鏡物鏡入射光入射光旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)鏡光電光電倍增管倍增管1S1M2M3MGCCD2S3S入射光入

5、射光2衍射光衍射光轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)光柵光柵通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)掃描通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)掃描.出射波長(zhǎng)與光柵旋轉(zhuǎn)角度出射波長(zhǎng)與光柵旋轉(zhuǎn)角度 之間之間的關(guān)系為：的關(guān)系為：2cossindk式中，式中，d 和和k 分別是光柵常數(shù)和衍射級(jí)次。分別是光柵常數(shù)和衍射級(jí)次。對(duì)同一單色儀，對(duì)同一單色儀， 為確定值。為確定值。6p WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀型組合式多功能光柵光譜儀 p 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) p 汞燈、溴鎢燈、濾光片汞燈、溴鎢燈、濾光片 71. 測(cè)量汞燈光譜，根據(jù)測(cè)得波長(zhǎng)計(jì)算普朗克常測(cè)量汞燈光譜，根據(jù)測(cè)得波長(zhǎng)計(jì)算普朗克常數(shù)。數(shù)。2. 以溴鎢燈為光源，掃描綠色濾光片的透射率以溴鎢燈為光源，掃描綠色濾光

6、片的透射率曲線，并測(cè)算透射率曲線能量半峰值對(duì)應(yīng)的曲線，并測(cè)算透射率曲線能量半峰值對(duì)應(yīng)的光譜寬度。光譜寬度。89光入射狹縫光入射狹縫光電倍增管光電倍增管光譜儀電源光譜儀電源注意：注意：請(qǐng)不要?jiǎng)舆@三顆狹縫螺絲，已調(diào)好。請(qǐng)不要?jiǎng)舆@三顆狹縫螺絲，已調(diào)好。溴鎢燈溴鎢燈溴鎢燈電源溴鎢燈電源汞燈汞燈汞燈電源汞燈電源光譜儀光譜儀光柵光譜儀及待測(cè)光源光柵光譜儀及待測(cè)光源10濾光片插入口濾光片插入口光入射狹縫光入射狹縫濾光片插入口濾光片插入口11電壓調(diào)至電壓調(diào)至500V一、一、打開(kāi)光譜儀和汞燈電源，光譜儀負(fù)高壓調(diào)至打開(kāi)光譜儀和汞燈電源，光譜儀負(fù)高壓調(diào)至500V；二、二、開(kāi)電腦，打開(kāi)開(kāi)電腦，打開(kāi)WGD-3光譜儀軟件

7、；光譜儀軟件；汞燈放置于此汞燈放置于此測(cè)量汞燈光譜圖步驟測(cè)量汞燈光譜圖步驟汞燈預(yù)熱幾分鐘汞燈預(yù)熱幾分鐘12三、參數(shù)設(shè)置：三、參數(shù)設(shè)置：模式選模式選“能量能量”；間隔：；間隔：0.10.1nm；起始波長(zhǎng)：起始波長(zhǎng)：300300nm，終止波長(zhǎng)：，終止波長(zhǎng)：650650nm；寄存器；寄存器-1-1；其余默認(rèn)；其余默認(rèn). .點(diǎn)擊點(diǎn)擊“單程單程”開(kāi)始掃描開(kāi)始掃描測(cè)量汞燈光譜圖步驟測(cè)量汞燈光譜圖步驟u按箭頭指按箭頭指示設(shè)置參數(shù)示設(shè)置參數(shù)四、四、點(diǎn)擊點(diǎn)擊“單程按鈕單程按鈕”開(kāi)始單程掃描；開(kāi)始單程掃描；13測(cè)量汞燈光譜圖測(cè)量汞燈光譜圖汞燈光譜掃描結(jié)果汞燈光譜掃描結(jié)果14v如果需要退出 按CTRL-ALT-DE

8、L重新開(kāi)始15測(cè)量汞燈光譜圖測(cè)量汞燈光譜圖五、五、修正波長(zhǎng)修正波長(zhǎng)自動(dòng)尋峰按鈕自動(dòng)尋峰按鈕點(diǎn)左下工具欄點(diǎn)左下工具欄“自動(dòng)尋峰自動(dòng)尋峰”按鈕，在彈出按鈕，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)的對(duì)話框中點(diǎn)“檢峰檢峰/ /谷谷”開(kāi)開(kāi)始自動(dòng)尋峰。始自動(dòng)尋峰。16測(cè)量汞燈光譜圖步驟測(cè)量汞燈光譜圖步驟尋峰結(jié)果尋峰結(jié)果u將間隔最寬兩峰中的左將間隔最寬兩峰中的左峰波長(zhǎng)值與對(duì)應(yīng)參考波長(zhǎng)峰波長(zhǎng)值與對(duì)應(yīng)參考波長(zhǎng)值值（435.8nm）比較。比較。u算出測(cè)量值與參考值的算出測(cè)量值與參考值的差，以此進(jìn)行修正。差，以此進(jìn)行修正。參考峰值波長(zhǎng)參考峰值波長(zhǎng): :1404.7nm2435.8nm3546.1nm4577.0nm5579.1nm17

9、測(cè)量汞燈光譜圖步驟測(cè)量汞燈光譜圖步驟波長(zhǎng)修正波長(zhǎng)修正點(diǎn)點(diǎn)“波長(zhǎng)修正波長(zhǎng)修正”輸入修正值輸入修正值注：注：波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的最大修正量最大修正量為為50nm.50nm.18測(cè)量汞燈光譜圖步驟測(cè)量汞燈光譜圖步驟六、六、波長(zhǎng)修正完成后，重新尋峰，并記錄各條譜線的波長(zhǎng)值波長(zhǎng)修正完成后，重新尋峰，并記錄各條譜線的波長(zhǎng)值.參考峰波長(zhǎng)值參考峰波長(zhǎng)值: :1404.7nm2435.8nm3546.1nm4577.0nm5579.1nm19汞譜線標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)及汞譜線標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷其對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷: :21(nm) (eV)404.7 7.734.67435.8 7.734.89546.1 7.735.4657

10、7.0 8.846.70579.1 8.856.70EEhEc修正后的測(cè)量波長(zhǎng)修正后的測(cè)量波長(zhǎng)u 將測(cè)量的各個(gè)波長(zhǎng)值和對(duì)應(yīng)的理論能級(jí)差代入該公式計(jì)算將測(cè)量的各個(gè)波長(zhǎng)值和對(duì)應(yīng)的理論能級(jí)差代入該公式計(jì)算普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)h，求平均。與標(biāo)準(zhǔn)值比較，計(jì)算相對(duì)誤差。，求平均。與標(biāo)準(zhǔn)值比較，計(jì)算相對(duì)誤差。346.63 10(J s)h普朗克常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值普朗克常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值七、七、計(jì)算普朗克常數(shù)計(jì)算普朗克常數(shù)20一、一、點(diǎn)亮溴鎢燈并放置于入射縫前；電壓調(diào)至點(diǎn)亮溴鎢燈并放置于入射縫前；電壓調(diào)至300V.測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率溴鎢燈溴鎢燈溴鎢燈電源溴鎢燈電源調(diào)至調(diào)至300V溴鎢燈預(yù)熱幾

11、分鐘溴鎢燈預(yù)熱幾分鐘21二、掃描基線：二、掃描基線：模式選模式選“基線基線”；間隔：；間隔：0.10.1nm；起始波長(zhǎng)：起始波長(zhǎng)：200200nm，終止波長(zhǎng)：，終止波長(zhǎng)：800800nm；寄存器；寄存器-2-2；其余默認(rèn)；其余默認(rèn). .點(diǎn)擊點(diǎn)擊“單程單程”開(kāi)始掃描開(kāi)始掃描u按箭頭指按箭頭指示設(shè)置參數(shù)示設(shè)置參數(shù)點(diǎn)擊點(diǎn)擊“單程單程”開(kāi)始基線單程掃描；開(kāi)始基線單程掃描；測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率22基線掃描結(jié)果基線掃描結(jié)果溴鎢燈光譜（基線）溴鎢燈光譜（基線）測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率23測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率三、掃描三

12、、掃描綠色濾光片的光譜透射率綠色濾光片的光譜透射率：1.1.從狹縫側(cè)面處插入綠色濾光片；從狹縫側(cè)面處插入綠色濾光片；2.2.模式選模式選“透過(guò)率透過(guò)率”；寄存器；寄存器-3-3；其余參數(shù)不能改變！其余參數(shù)不能改變！3.3.點(diǎn)擊點(diǎn)擊“單程單程”開(kāi)始掃描。開(kāi)始掃描。u改變箭頭指示改變箭頭指示兩個(gè)參數(shù)，其余兩個(gè)參數(shù)，其余的必須與基線掃的必須與基線掃描時(shí)相同，不能描時(shí)相同，不能改變。改變。插入濾光片插入濾光片24濾光片透過(guò)率掃描結(jié)果濾光片透過(guò)率掃描結(jié)果基線基線測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率濾光片透過(guò)率濾光片透過(guò)率25四、四、尋峰，記錄峰值處的波長(zhǎng)和能量值。尋峰，記錄峰值處的波長(zhǎng)和

13、能量值。測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率能量半峰值能量半峰值25.8525.8526五、五、測(cè)量能量半峰值處對(duì)應(yīng)的光譜寬度。測(cè)量能量半峰值處對(duì)應(yīng)的光譜寬度。測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率點(diǎn)點(diǎn)“讀取譜線數(shù)據(jù)讀取譜線數(shù)據(jù)”按鈕，然后用鼠標(biāo)在曲線按鈕，然后用鼠標(biāo)在曲線上尋找能量半峰值的點(diǎn)，記錄其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)上尋找能量半峰值的點(diǎn)，記錄其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng) 1。讀取譜線數(shù)據(jù)按鈕讀取譜線數(shù)據(jù)按鈕左側(cè)能量半峰值點(diǎn)左側(cè)能量半峰值點(diǎn)記錄此數(shù)據(jù)記錄此數(shù)據(jù)能量半峰值能量半峰值25.8525.8527五、五、測(cè)量能量半峰值對(duì)應(yīng)的光譜寬度。測(cè)量能量半峰值對(duì)應(yīng)的光譜寬度。測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率繼續(xù)尋找另一側(cè)的能量半峰繼續(xù)尋找另一側(cè)的能量半峰值的點(diǎn)，記錄其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)值的點(diǎn)，記錄其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng) 2。右側(cè)能量半峰值點(diǎn)右側(cè)能量半峰值點(diǎn)記錄此數(shù)據(jù)記錄此數(shù)據(jù)能量半峰值能量半峰值25.8525.8528六、六、計(jì)算能量半峰值對(duì)應(yīng)的光譜寬度。計(jì)算能量半峰值對(duì)應(yīng)的光譜寬度。測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率測(cè)量綠色濾光片的光譜透射率能量半峰值所對(duì)應(yīng)的光譜