22實(shí)驗(yàn)17 分光計的調(diào)節(jié)-單色光波長的測定

1、實(shí)驗(yàn)十七分光計的調(diào)節(jié)單色光波長的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解分光計的構(gòu)造，學(xué)會調(diào)節(jié)和使用分光計2觀察光柵衍射的現(xiàn)象和特點(diǎn)；3利用衍射光柵測量單色光的波長。分光計的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理當(dāng)光線入射于光學(xué)元件（如平面鏡、三棱鏡、光柵等）上時，會發(fā)生反射、折射或衍射，分光計就是用來精確測量反射、折射或衍射光線相對于入射光線的偏轉(zhuǎn)角度的一種儀器。分光計的基本部件和調(diào)節(jié)原理與其它更復(fù)雜的光學(xué)儀器（如攝譜儀等）有許多相似之處，學(xué)習(xí)使用分光計可為使用精密光學(xué)儀器打下良好基礎(chǔ)。分光計裝置較精密，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)節(jié)要求較高，我們必須注意了解其基本結(jié)構(gòu)和測量光路，嚴(yán)格按調(diào)節(jié)要求和步驟耐心調(diào)節(jié)，反復(fù)練習(xí)，以達(dá)到熟練的程度。1分光計的結(jié)

2、構(gòu)與原理分光計主要由三足底座、平行光管、載物臺、望遠(yuǎn)鏡、刻度盤及游標(biāo)盤等構(gòu)成。圖1是JJY-1/型分光計結(jié)構(gòu)圖。1狹縫寬度調(diào)整手輪2狹縫裝置鎖緊螺釘3平行光管4載物臺5載物臺調(diào)平螺釘（3只）6載物臺鎖緊螺釘7望遠(yuǎn)鏡8目鏡鎖緊螺釘9阿貝式自準(zhǔn)直目鏡10目鏡調(diào)節(jié)手輪11望遠(yuǎn)鏡水平度調(diào)節(jié)螺釘12望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺釘13照明燈插座14望遠(yuǎn)鏡與刻度盤微調(diào)螺釘15望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺釘（在另側(cè)）16分光計底座插座17游標(biāo)盤微調(diào)螺釘18游標(biāo)盤止動螺釘19平行光管水平度調(diào)節(jié)螺釘20刻度盤21游標(biāo)盤22待測物23望遠(yuǎn)鏡左右角度調(diào)節(jié)螺釘24平行光管左右角度調(diào)節(jié)螺釘25平行光管物鏡26望遠(yuǎn)鏡物鏡圖1（1）三足底座：其上裝有刻度盤

3、、游標(biāo)盤、載物臺等，其中一個底腳立柱上裝有平行光管，望遠(yuǎn)鏡可通過一個緊固螺釘與刻度盤固定在一起，而載物臺也可通過一個緊固螺釘與游標(biāo)盤固定在一起。（2）平行光管：其作用為產(chǎn)生平行光；其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由狹縫與透鏡組成，其鏡筒的一端裝有消色差復(fù)合正透鏡（物鏡），另一端裝有可伸縮的套筒，筒的末端裝有狹縫（作為線光源），狹縫寬度可通過套筒一側(cè)的調(diào)節(jié)旋鈕來控制，當(dāng)狹縫恰好位于透鏡焦平面上時，由狹縫入射物鏡出射的光即為平行光。1狹縫2狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪3平行光管物鏡圖2此外，整個平行光管的水平度和左右偏轉(zhuǎn)度可分別由其兩端下部或一側(cè)的調(diào)節(jié)螺釘來微調(diào)。（3）望遠(yuǎn)鏡：作用為接收平行光。它由物鏡和目鏡組成，如圖3所

4、示。圖3目鏡裝在一個套筒中，可相對于物鏡鏡筒滑動，為了調(diào)節(jié)和測量，目鏡套筒中裝有分劃板，其上刻有年形叉絲，在分劃板平面下方與一個小棱鏡的豎直直角面緊貼著，在此直角面上刻有一個十字形透光的刻縫，而且其中的水平刻線與分劃板上的牛”形叉絲中靠上方的水平刻線一起關(guān)于中央的水平刻線上下對稱。在小棱鏡的另一個水平方向的直角面下端裝有一小燈，燈光可經(jīng)小棱鏡-185-照亮上述的“十”形透光叉絲，可作為一個參照物像。這種結(jié)構(gòu)的目鏡稱為阿貝（Abbe）目鏡。通過旋轉(zhuǎn)目鏡上的調(diào)焦手輪可看清楚分劃板上的刻線，然后前后移動目鏡套筒，可得到由阿貝目鏡上的透光十字形刻縫出射又經(jīng)載物臺上的平面反射鏡反射回來的清晰的亮十字形反

5、射像（亮十字），且與分劃板上的叉絲刻線間沒有視差，這時就可以斷定，分劃板刻線和亮十字形反射像已同時位于物鏡的焦平面上了。此時，若有平行光從物鏡入射于望遠(yuǎn)鏡，我們必可通過目鏡在分劃板上看到其會聚所成的像這就是用“自準(zhǔn)法”調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡，使之適合于接收和觀察平行光的原理，因此稱這種望遠(yuǎn)鏡為“自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡”。注意：如果望遠(yuǎn)鏡光軸與載物臺上的平面鏡垂直，則應(yīng)可在目鏡里看到，亮十字形反射像的水平亮線與“”形叉絲靠上方的水平刻線重合（為什么？）。在觀測光譜線時，總是使望遠(yuǎn)鏡與刻度盤固定在一起繞分光計的中心軸轉(zhuǎn)動，在需要使分劃板上的中央豎刻線精確對準(zhǔn)光譜線時，應(yīng)先整體轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡使其大致對準(zhǔn)待測譜線，再用相應(yīng)的螺釘

6、把望遠(yuǎn)鏡固定住，然后借助其支架下方一側(cè)微調(diào)螺釘仔細(xì)對準(zhǔn)譜線。（4）載物臺：載物臺是用來放置光學(xué)元件或待測樣品的圓形小平臺，其下方有三個支撐螺釘，形成正三角形，用來調(diào)節(jié)平臺的整體高度和水平度，它們可整體繞分光計的豎直中心軸大范圍地轉(zhuǎn)動，也可利用下方一側(cè)的螺釘使其微動。（5）刻度盤與游標(biāo)盤分光計的刻度盤垂直于豎直中心軸并可繞軸轉(zhuǎn)圖4動。為消除刻度盤的偏心差，在游標(biāo)盤上采用了一對相差180位置上的角游標(biāo)來讀數(shù)?？潭缺P分為360，實(shí)際均分為720個小格，故每個小格的角度為30,，而每個角游標(biāo)又分為30個小格，其總角度與刻度盤上29個小格的角度（即29,）相等，可見，游標(biāo)的精度應(yīng)為1,。讀數(shù)時，應(yīng)先看游

7、標(biāo)上的0刻線所指的位置，從刻度盤上讀出“度”和“半度（30,）”數(shù)，再找游標(biāo)上剛好與刻度線對齊的那條游標(biāo)刻度線，其上所標(biāo)數(shù)值即為所求的“分”數(shù)。例如，圖4所示情形為33430,稍多一些，而游標(biāo)上第17格恰與刻度盤上的某一刻線對齊，故該讀數(shù)為33430,+17,=33447,。望遠(yuǎn)鏡（及刻度盤）轉(zhuǎn)過的角度為末態(tài)角位置02與初態(tài)角位置01的差值，即：-186-圖5皆1注意：在轉(zhuǎn)動時若游標(biāo)的0線經(jīng)過了刻度盤上的360。線，須在e2讀數(shù)的基礎(chǔ)上加上或減去360（視游標(biāo)相對于刻度盤的移動方向是使讀數(shù)增大還是減小而定），即O=（360。）-片如圖5所示，由于儀器制造時不容易做到使刻度盤的中心軸（過0點(diǎn)的豎

8、直軸）準(zhǔn)確無誤地與分光計中心軸（過O點(diǎn)的豎直軸）相重合，導(dǎo)致當(dāng)刻度盤繞中心軸轉(zhuǎn)動時，由相差180。的兩個游標(biāo)讀出的轉(zhuǎn)角的刻度數(shù)值不相等，故如果只用一個角游標(biāo)讀數(shù)就會出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，稱為“偏心差”。設(shè)刻度盤（連同望遠(yuǎn)鏡）實(shí)際所轉(zhuǎn)的角度為，則亦為游標(biāo)盤相對于刻度盤所轉(zhuǎn)的角。但利用一對角游標(biāo)讀出的是和，由平面幾何原理知：，a二1,22二a+a12圖7-189-11二（+）二（0-9）+（9-9）22L2121_即可對兩個角游標(biāo)的讀數(shù)取平均求出。式中：01和耳為兩個游標(biāo)分別對望遠(yuǎn)鏡（及刻度盤）起始位置所讀得的數(shù)值，02和叮為兩個游標(biāo)分別對望遠(yuǎn)鏡（及刻度盤）轉(zhuǎn)動后的位置所得的讀數(shù)，注意上標(biāo)“”和分別對應(yīng)左

9、、右游標(biāo),而下標(biāo)“1”和“2”分別對應(yīng)始、末位置，不可混淆。2分光計的調(diào)節(jié)步驟與要求為了準(zhǔn)確測量偏轉(zhuǎn)角，必須在正式測量之前使分光計達(dá)到如下基本要求：望遠(yuǎn)鏡能接收平行光（或者說：適于觀察平行光），且其光軸垂直于分光計的主軸（即豎直中心軸）；平行光管出射平行光，其光軸亦垂直于分光計的主軸，具體調(diào)節(jié)步驟如下：（1）望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié) 目鏡調(diào)節(jié)點(diǎn)亮望遠(yuǎn)鏡下的小燈，首先旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦手輪將分劃板叉絲刻線調(diào)到十分清晰為止。然后將雙面鏡置于載物臺上（為了便于調(diào)節(jié)平面鏡的法線方向，應(yīng)按圖6放置（其中a、b、c為載物臺下的三個底腳螺釘），并使其朝向物鏡，前后移動目鏡套筒（適當(dāng)調(diào)節(jié)載物臺或望遠(yuǎn)鏡的底腳螺釘），觀察到透光十

10、字形叉絲出射的光雙面鏡反射回來的清晰的亮十字像，仔細(xì)調(diào)節(jié)位置，至此像與分劃板上的叉絲刻線間沒有視差（即：同時達(dá)到清晰）。最后，為保證準(zhǔn)確測量光線的偏轉(zhuǎn)角，還應(yīng)仔細(xì)轉(zhuǎn)動套筒，確定其圍繞望遠(yuǎn)鏡光軸的適當(dāng)角度，以保證分劃板上的兩條水平線和一條豎直線分別與分光計主軸垂直和平行。判斷方法為：一只手微微左右轉(zhuǎn)動載物臺使亮十字像在水平方向左右平移，在觀察的同時，另一只手使目鏡套筒繞望遠(yuǎn)鏡光軸微微轉(zhuǎn)動，直到十字像的位移方向與水平叉絲刻線嚴(yán)格平行為止。在同時滿足以上調(diào)節(jié)要求后，及時將目鏡套筒上方的緊固螺釘擰緊，準(zhǔn)備下一步的調(diào)節(jié)。 望遠(yuǎn)鏡光軸方向的調(diào)節(jié)（使之與分光計主軸垂直）為使望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于主軸，應(yīng)同時使雙面

11、鏡法向垂直于主軸，此時轉(zhuǎn)動載物臺使分別雙面鏡兩個面朝向望遠(yuǎn)鏡時，均能在望遠(yuǎn)鏡分劃板平面上看到反射的亮十字像，且兩次看到的亮十字反射像的水平線均應(yīng)“”形叉絲的上方水平刻線重合（為什么？），為此須經(jīng)過以下兩個步驟。a. 粗調(diào)：先直接通過目測調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡及載物臺下的螺釘，使它們都大致與刻度盤平行（亦即與主軸垂直，。然后稍稍轉(zhuǎn)動載物臺，先不通過望遠(yuǎn)鏡，而是直接從望遠(yuǎn)鏡外的一側(cè)觀察平面鏡，應(yīng)能直接看到望遠(yuǎn)鏡物鏡孔的反射像及孔內(nèi)深處的亮十字反射像。此時盡量保持眼睛的觀察固定，并旋轉(zhuǎn)載物臺使雙面鏡的另一面朝前，再觀察物鏡孔反射像內(nèi)部的亮十字反射像，比較前后兩次亮十字的高低位置是否相同，否則，須調(diào)節(jié)載物臺下的底

12、腳螺釘（為什么？，。位置相同后，使眼睛在與望遠(yuǎn)鏡等高的位置處再觀察亮十字，看其高低位置是否在物鏡孔反射像內(nèi)的中部附近，若太高或太低，可通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡下的底腳螺釘達(dá)到要求。最后，使反射鏡面正對望遠(yuǎn)鏡，通過望遠(yuǎn)鏡應(yīng)能夠看到分劃板平面上的亮十字像，轉(zhuǎn)動載物臺使另一面正對望遠(yuǎn)鏡，仍能夠看到分劃板平面上的亮十字像。若還不能同時在兩面觀察到亮十字，可重復(fù)上一步，直到成功為止。b. 細(xì)調(diào)：平面鏡的兩個反射面是嚴(yán)格平行的，假如它們平行于分光計的主軸，則當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的光軸又與主軸垂直時，亮十字形反射像的水平線部分應(yīng)與“”形叉絲的上方水平刻線重合，而且將載物臺（連同平面鏡）轉(zhuǎn)過約180后，仍然重合，可據(jù)此判斷望遠(yuǎn)鏡光

13、軸垂直于中心軸。但開始時，上一步所觀察到的兩次亮十字像一般不會正好達(dá)到此狀態(tài)，必須仔細(xì)調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)。在調(diào)節(jié)時，應(yīng)注意開動腦筋，根據(jù)不同的現(xiàn)象分析其原因，采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣碚{(diào)節(jié)，例如：若平面鏡兩個面分別產(chǎn)生的亮十字反射像的高低位置不相同，則說明反射面的法線未嚴(yán)格垂直于分光計主軸，應(yīng)調(diào)節(jié)載物臺下底腳螺釘，把兩次的亮十字像調(diào)到它們的平均高度位置上；若由平面鏡兩個面反射的亮十字像已經(jīng)等高，但均未與分劃板的上方水平刻線重合，說明平面鏡法向已垂直于主軸，但望遠(yuǎn)鏡光軸未嚴(yán)格垂直于主軸，應(yīng)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡下的底腳螺釘，可使反射亮十字像同時達(dá)到要求位置。當(dāng)調(diào)至兩個面的反射十字像均已接近于要求的位置時，可用所謂“漸近法”

14、（或稱“各半調(diào)節(jié)法”）迅速準(zhǔn)確地調(diào)好，即：先調(diào)節(jié)載物臺下的螺釘使亮十字像與“”形叉絲線的上方刻線間的距離減小一半，再調(diào)望遠(yuǎn)鏡下的螺釘使二者重合，然后轉(zhuǎn)動載物臺，使平面鏡另一面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行同樣調(diào)節(jié)，如此反復(fù)幾次，即可達(dá)到要求。至此，望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)結(jié)束，它將作為下一步調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)，故不可再改變望遠(yuǎn)鏡的工作狀態(tài)，否則將前功盡棄。（2）平行光管的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)平行光管的目的：使之發(fā)出平行光，且垂直于主軸。點(diǎn)亮鈉光燈（通電后需預(yù)熱幾分鐘才能發(fā)出穩(wěn)定的單色黃光），照亮光管前端的狹縫，并轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡使其光軸與平行光管的光軸基本在一條直線上。松開狹縫套筒的緊固螺釘，前后移動之，使得從望遠(yuǎn)鏡中可看到清晰的、與分劃板刻線

15、無視差的狹縫像，此時說明狹縫已位于平行光管的物鏡焦平面，而由平行光管發(fā)出的就是平行光。為保證平行光管出射的平行光垂直于主軸，可旋轉(zhuǎn)狹縫套筒使狹縫與望遠(yuǎn)鏡分劃板上的橫刻線平行，然后調(diào)節(jié)平行光管下的底腳螺釘使狹縫像與分劃板中央的水平刻線重合。最后，旋轉(zhuǎn)狹縫套筒使狹縫像與望遠(yuǎn)鏡分劃板中央的豎刻線平行，再旋緊套筒頂端的緊固螺釘將其固定，至此，平行光管已調(diào)整完畢。用光柵測量光的波長原理平面光柵是根據(jù)光的波動理論制成的色散元件。它由大量等寬、等間距和相互平行的狹縫（或刻痕）組成。在結(jié)構(gòu)上有平面光柵、階梯光柵和凹面光柵之分，在分光原理上又有透射式和反射式兩類。本實(shí)驗(yàn)用的平面透射式光柵一般是復(fù)制光柵，刻痕為不

16、透光的，只有在兩刻痕間的光滑部分，光才能通過，相當(dāng)于透光狹縫。根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射的原理，當(dāng)波長為九的單色平行光（來自分光計的平行光管），垂直照射于光柵平面上時，通過每一狹縫的光都將產(chǎn)生衍射，同時各縫發(fā)出的衍射光都是相干光，彼此又發(fā)生干涉，若在光柵后放置一正透鏡（實(shí)際就是分光計望遠(yuǎn)鏡上的物鏡），其后的焦平面上置一觀察屏（實(shí)際就是分光計望遠(yuǎn)鏡上的分劃板平面），則沿不同方向衍射的光分別會聚于屏上進(jìn)行相干疊加，結(jié)果形成一系列被相當(dāng)寬的暗區(qū)所隔開的、亮度很高且非常細(xì)銳的明條紋，此即對應(yīng)于波長為九的單色光的譜線。如圖7所示。通過相鄰兩縫沿著衍射角傳播的兩個子波來的光程差為：5=（a+b）sin=dsin由波

17、的干涉原理，當(dāng)8滿足條件：5=k九（k=0,l,2,）即：dsin二k九（光柵方程）時，沿衍射角所規(guī)定的方向發(fā)出的光將在屏上相互加強(qiáng)而形成明條紋（主極大），式中的k為主極大的級數(shù)。同時，各級明條紋的亮度因受單縫衍射效應(yīng)的調(diào)制，隨著角的不同而按一定的規(guī)律起伏變化的，一般來說，0級及其兩側(cè)附近的明紋是比較亮的。另外當(dāng)a與d之間滿足某種比例關(guān)系時，還會發(fā)生缺級現(xiàn)象。當(dāng)用一束含有各種波長成分的復(fù)色光照射光柵時，除中央明紋（0級）外，不同波長的光相應(yīng)于同一級次k的衍射角不同，而是按波長增加的次序由里向外形成各色光譜，從而把復(fù)色光分解成了一系列單色光。由光柵方程知，如能準(zhǔn)確測量出光柵常數(shù)d和衍射角，則可由

18、：九=sink求出單色光的波長九，而欲測量d和，就要分別用到測量顯微鏡和分光計。實(shí)驗(yàn)儀器JJY型分光計、測量顯微鏡、平面反射鏡、衍射光柵、鈉光燈及GP20Na型鈉燈電源、單縫裝置。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1調(diào)節(jié)分光計實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先熟悉分光計的結(jié)構(gòu)及各個螺釘和旋鈕的功能，然后按照前面的有關(guān)介紹和要求進(jìn)行分光計的調(diào)節(jié)。 對望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)，應(yīng)反復(fù)練習(xí)，達(dá)到熟練的程度； 為保證測量的準(zhǔn)確，狹縫像在不影響觀察的前提下應(yīng)盡量地細(xì)一些，并注意消除與分劃板刻線間的視差。2調(diào)節(jié)光柵由上述原理知，對光柵的要求應(yīng)是：光柵平面與平行光管的光軸（亦即與入射平行光）垂直，且光柵刻痕方向應(yīng)與平行光管狹縫平行（亦即與分光計主軸平行）。現(xiàn)將光柵置于

19、載物臺上，注意放置方法與前述雙面鏡的放法相同。（1）試著旋轉(zhuǎn)載物臺，通過望遠(yuǎn)鏡尋找由光柵平面反射回來的十字像（必要時可先設(shè)法遮住由平行光管射出的光），然后調(diào)節(jié)載物臺下的相應(yīng)螺釘（圖6中的b、c）,使十字像與分劃板的上方水平刻線重合（可否調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡下的底腳螺釘來達(dá)到此目的？）。（2）從望遠(yuǎn)鏡中觀察鈉黃光的衍射條紋分布情況，注意中央明紋兩側(cè)的譜線是否在同一高度上（看譜線上下邊緣的連線是否平行于分劃板的水平刻線），如否，可調(diào)節(jié)載物臺下的螺釘（圖6中的a）,直到各條譜線無高低變化為止，這就保證了光柵刻痕與狹縫平行。（3）為保證光柵平面與入射光垂直，首先轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡使分劃板的中央豎刻線對準(zhǔn)中央0級譜線（這

20、樣做意義何在？），然后轉(zhuǎn)動載物臺使亮十字反射像亦與豎刻線重合。至此，已可進(jìn)入測量階段了。3測定鈉黃光的波長（1）測量衍射角 利用望遠(yuǎn)鏡支架上的微調(diào)螺絲使分劃板豎刻線精確對準(zhǔn)待測光譜線，然后測量。 由于衍射光譜關(guān)于中央明紋對稱，為了提高測量的準(zhǔn)確度及消除偏心差，測量第k級光譜的衍射角時，應(yīng)分別測出+k和-k級譜線的左右兩個角位置e（左游標(biāo)）、e（右游標(biāo)）和e（左游標(biāo)）、e（右游標(biāo)），再用下式：kk-k-k11=1（e-e）及“=1（e-e）k2k-kk2k-k分別得出對應(yīng)于左右游標(biāo)的衍射角數(shù)值（和）后，取平均值：kk1=（+）k2kk本實(shí)驗(yàn)要求對1，2，3級譜線進(jìn)行測量。（2）測量光柵常數(shù) 將光柵放在讀數(shù)顯微鏡的載物臺上，點(diǎn)亮顯微鏡前的照明燈，調(diào)節(jié)目鏡，看清其分劃板上的十字刻