物理實驗 光譜測量與光譜分析

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行測量的基本技術(shù)。掌握利用光柵光譜儀進行測量的基本技術(shù)。3u 特征光譜：特征光譜：每一種元素在發(fā)光或吸光時都有其各自所特有每一種元素在發(fā)光或吸光時都有其各自所特有的光譜線的光譜線特征譜線。所以，光譜是人們認識了解物質(zhì)成特征譜線。所以，光譜是人們認識了解物質(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都是通過光譜分都是通過光譜分析來發(fā)現(xiàn)的。析來發(fā)現(xiàn)的。u 光譜儀：光譜儀：用于進行光譜測量和物質(zhì)光譜分析的裝置。其主用于進行光譜測量和物質(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.測定波長與能量的對應(yīng)關(guān)測定波長與能量的對應(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（同級光譜中不同的波光柵具有分光色散作用（同級光譜中不同的波長對應(yīng)不同的衍射角），通過光柵可以把光譜中的不同波長對應(yīng)不同的衍射角），通過光柵可以把光譜中的不同波長分解開來。所以它是光柵光譜儀的核心組成部分。長分解開來。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，處于能級如圖所示，處于能級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時時,將向下躍遷并發(fā)出相應(yīng)能級差的光子：將

3、向下躍遷并發(fā)出相應(yīng)能級差的光子：原子發(fā)光原子發(fā)光2E1EhEc所以，測出元素的某一波長，根據(jù)其對應(yīng)的所以，測出元素的某一波長，根據(jù)其對應(yīng)的能級差就可以算出普朗克常數(shù)能級差就可以算出普朗克常數(shù)h.透射率透射率光通過任何物質(zhì)時都會被不同程度地吸收。定義單色光透光通過任何物質(zhì)時都會被不同程度地吸收。定義單色光透過一定厚度的物質(zhì)時的百分透射率為：過一定厚度的物質(zhì)時的百分透射率為：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。分別是光從該物質(zhì)的入射和出射光強。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，不同波長的平行光束以不同的衍射角出射。通過旋轉(zhuǎn)光柵散后，不同波長的平行光束以不同的衍射角出射。通過旋轉(zhuǎn)光柵G改變角改變角度，就可使某一波長的光經(jīng)度，就可使某一波長的光經(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器記錄該波的波長、光強度等信息，并將數(shù)據(jù)輸入電腦處理。通過光探測器記錄該波的波長、光強度等信息，并將數(shù)據(jù)輸入電腦處理。通過S3則可直接觀察光譜線。則可直接觀察光譜線。計算機計算機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)臺轉(zhuǎn)臺光柵光柵通過旋轉(zhuǎn)光柵實現(xiàn)對波長掃描通過旋轉(zhuǎn)光柵實現(xiàn)對波長掃描.出射波長與光柵旋轉(zhuǎn)角度出射波長與光柵旋轉(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)和衍射級次。分別是光柵常數(shù)和衍射級次。對同一單色儀，對同一單色儀， 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 計算機計算機 p 汞燈、溴鎢燈、濾光片汞燈、溴鎢燈、濾光片 71. 測量汞燈光譜，根據(jù)測得波長計算普朗克常測量汞燈光譜，根據(jù)測得波長計算普朗克常數(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，并測算透射率曲線能量半峰值對應(yīng)的曲線，并測算透射率曲線能量半峰值對應(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：請不要動這三顆狹縫螺絲，已調(diào)好。請不要動這三顆狹縫螺絲，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光源光柵光譜儀及待測光源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、打開光譜儀和汞燈電源，光譜儀負高壓調(diào)至打開光譜儀和汞燈電源，光譜儀負高壓調(diào)至500V；二、二、開電腦，打開開電腦，打開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量汞燈光譜圖步驟測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：起始波長：300300nm，終止波長：，終止波長：650650nm；寄存器；寄存器-1-1；其余默認；其余默認. .點擊點擊“單程單程”開始掃描開始掃描測量汞燈光譜圖步驟測量汞燈光譜圖步驟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、點擊點擊“單程按鈕單程按鈕”開始單程掃描；開始單程掃描；13測量汞燈光譜圖測量汞燈光譜圖汞燈光譜掃描結(jié)果汞燈光譜掃描結(jié)果14測量汞燈光譜圖測量汞燈光譜圖五、五、修正

8、波長修正波長自動尋峰按鈕自動尋峰按鈕點左下工具欄點左下工具欄“自動尋峰自動尋峰”按鈕，在彈出按鈕，在彈出的對話框中點的對話框中點“檢峰檢峰/ /谷谷”開開始自動尋峰。始自動尋峰。15測量汞燈光譜圖步驟測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值與對應(yīng)參考波長峰波長值與對應(yīng)參考波長值值（435.8nm）比較。比較。u算出測量值與參考值的算出測量值與參考值的差，以此進行修正。差，以此進行修正。參考峰值波長參考峰值波長: :1404.7nm2435.8nm3546.1nm4577.0nm5579.1nm16測量汞燈光譜圖步驟測量汞燈光譜圖步驟波長修正波長修正點

9、點“波長修正波長修正”輸入修正值輸入修正值注：注：波長的波長的最大修正量最大修正量為為50nm.50nm.17測量汞燈光譜圖步驟測量汞燈光譜圖步驟六、六、波長修正完成后，重新尋峰，并記錄各條譜線的波長值波長修正完成后，重新尋峰，并記錄各條譜線的波長值.參考峰波長值參考峰波長值: :1404.7nm2435.8nm3546.1nm4577.0nm5579.1nm18汞譜線標準波長及汞譜線標準波長及其對應(yīng)的能級躍遷其對應(yīng)的能級躍遷: :21(nm) (eV)404.7 7.734.67435.8 7.734.89546.1 7.735.46577.0 8.846.70579.1 8.856.70E

10、EhEc修正后的測量波長修正后的測量波長u 將測量的各個波長值和對應(yīng)的理論能級差代入該公式計算將測量的各個波長值和對應(yīng)的理論能級差代入該公式計算普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)h，求平均。與標準值比較，計算相對誤差。，求平均。與標準值比較，計算相對誤差。346.63 10(J s)h普朗克常數(shù)標準值普朗克常數(shù)標準值七、七、計算普朗克常數(shù)計算普朗克常數(shù)19一、一、點亮溴鎢燈并放置于入射縫前；電壓調(diào)至點亮溴鎢燈并放置于入射縫前；電壓調(diào)至300V.測量綠色濾光片的光譜透射率測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)熱幾分鐘溴鎢燈預(yù)熱幾分鐘20二、掃描基線：二、掃描基線：模

11、式選模式選“基線基線”；間隔：；間隔：0.10.1nm；起始波長：起始波長：200200nm，終止波長：，終止波長：800800nm；寄存器；寄存器-2-2；其余默認；其余默認. .點擊點擊“單程單程”開始掃描開始掃描u按箭頭指按箭頭指示設(shè)置參數(shù)示設(shè)置參數(shù)點擊點擊“單程單程”開始基線單程掃描；開始基線單程掃描；測量綠色濾光片的光譜透射率測量綠色濾光片的光譜透射率21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）測量綠色濾光片的光譜透射率測量綠色濾光片的光譜透射率22測量綠色濾光片的光譜透射率測量綠色濾光片的光譜透射率三、掃描三、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

12、.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“透過率透過率”；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.點擊點擊“單程單程”開始掃描。開始掃描。u改變箭頭指示改變箭頭指示兩個參數(shù)，其余兩個參數(shù)，其余的必須與基線掃的必須與基線掃描時相同，不能描時相同，不能改變。改變。插入濾光片插入濾光片23濾光片透過率掃描結(jié)果濾光片透過率掃描結(jié)果基線基線測量綠色濾光片的光譜透射率測量綠色濾光片的光譜透射率濾光片透過率濾光片透過率24四、四、尋峰，記錄峰值處的波長和能量值。尋峰，記錄峰值處的波長和能量值。測量綠色濾光片的光譜透射率測量綠色濾光片的光譜

13、透射率能量半峰值能量半峰值25.8525.8525五、五、測量能量半峰值處對應(yīng)的光譜寬度。測量能量半峰值處對應(yīng)的光譜寬度。測量綠色濾光片的光譜透射率測量綠色濾光片的光譜透射率點點“讀取譜線數(shù)據(jù)讀取譜線數(shù)據(jù)”按鈕，然后用鼠標在曲線按鈕，然后用鼠標在曲線上尋找能量半峰值的點，記錄其對應(yīng)波長上尋找能量半峰值的點，記錄其對應(yīng)波長 1。讀取譜線數(shù)據(jù)按鈕讀取譜線數(shù)據(jù)按鈕左側(cè)能量半峰值點左側(cè)能量半峰值點記錄此數(shù)據(jù)記錄此數(shù)據(jù)能量半峰值能量半峰值25.8525.8526五、五、測量能量半峰值對應(yīng)的光譜寬度。測量能量半峰值對應(yīng)的光譜寬度。測量綠色濾光片的光譜透射率測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，記錄其對應(yīng)波長值的點，記錄其對應(yīng)波長 2。右側(cè)能量半峰值點右側(cè)能量半峰值點記錄此數(shù)據(jù)記錄此數(shù)據(jù)能量半峰值能量半峰值25.8525.8527六、六、計算能量半峰值對應(yīng)的光譜寬度。計算能量半峰值對應(yīng)的光譜寬度。測量綠色濾光片的光譜透射率測量綠色濾光片的光譜透射率能量半峰值所對應(yīng)的光譜寬