發(fā)射光源光譜特性的研究

1、 實驗二發(fā)射光源光譜特性的研究氫原子的結(jié)構(gòu)最簡單，它的譜線明顯地具有規(guī)律，早就為人們所注意。各種原子光 譜線規(guī)律性的研究正是首先在氫原子上得到突破的。氫原子又是一種典型的最適合于進 行理論與實驗比較的原子。二十世紀上半葉中對氫原子光譜的種種研究在量子論的發(fā)展 中多次起過重要的作用。光學多道分析器采用 CCD （電荷耦合器件）作為接收單元，極大地拓寬了儀器的應(yīng) 用范圍，可以實時采集及三維顯示、模擬照相，是研究光譜的理想設(shè)備。本實驗中用光 學多道分析器測量發(fā)射光源（氫、氮、氦、氖）的光譜特性，并驗證巴耳末公式的正確 性。實驗?zāi)康?了解光學多道分析器的構(gòu)造原理及其使用方法。測量發(fā)射光源（氫、氮、氦、

2、氖）的光譜特性，并通過測量氫光譜的波長，測定里德伯常數(shù)，以驗證巴爾末公式的正確性。實驗原理一、氫原子光譜可見光譜區(qū)域的巴爾干公式為 TOC o 1-5 h z 111二 Rh（-2-2）（1）丸2 n式中Rh稱氫的里德伯常數(shù)，n為整數(shù)3、4、5、，。將式中22換整數(shù)k2 （ k = 1、2、3、，相應(yīng)的n從k+ 1取值）可以得到其它線系。玻爾理論認為，每條譜線對應(yīng)于原子從一個能級躍遷到另一個能級所發(fā)射的光子。按照玻爾理論得到的巴爾末線系的公式為(2)112二 2me411 2 ( 2 2 )(45)h3c(1)2 nM式中So為真空中介電常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速，e、m分別為電子電荷及電

3、子質(zhì) 量，M為原子核質(zhì)量。與實驗公式（1）對照，可得到(3)m、4Rh = R：（1 7T）M其中Rh可視核質(zhì)量 M為8時的里德堡常數(shù)，即12二 2 me4(4 二；)2h3c可將按（1）式測定的Rh，與（3）, （4）算出的Rh加以比較，以確定玻爾模型與實 驗的符合程度。近年來，高分辨激光光譜技術(shù)大大提高了譜線波長的測量精確度，從而使里德堡常 數(shù)的測量精確度也得到提高。目前的公認的 R*值為 10973731.534 0.013m-1，而 匹=（5446170.13 0.11）憶-1。M由此可得 Rh 為 10967 758.306 0.013 m-1二、發(fā)射光譜技術(shù)簡介發(fā)射光譜通常是指原子

4、或離子的發(fā)射光譜（個別情況也包括某些分子的發(fā)射光譜）原子或離子發(fā)射光譜的發(fā)生是利用外界能量將它們從基態(tài)能級激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級上，當 它們從高能級躍遷到低能級時所釋放的光子就形成了光譜。發(fā)射光譜技術(shù)是在光譜技術(shù) 產(chǎn)生時最早使用的方法，因為它可以比較簡單、快捷地分析試樣中含有哪些元素，今天 依然被廣泛使用。發(fā)射光譜技術(shù)可以用來進行定性、半定量和定量分析。由于不同的元素的原子能級結(jié)構(gòu)各不相同，每種元素的光譜也猶如人的指紋一樣具 有自己的特征。特別是每一種元素都有被稱為“住留譜線”（RU線）特征譜線。如果試樣的光譜中出現(xiàn)了某種元素的“住留譜線”，就是說試樣中含有該元素。如果不去管試樣中含有多少該元素，只

5、分析該元素是否存在。這就是發(fā)射光譜技術(shù) 中定性分析方法。在十九世紀本生和克希霍斯是利用發(fā)射光譜技術(shù)的定性分析在研究含 有鋰、鈉和鉀的礦物樣品時發(fā)現(xiàn)了銣和銫?？唆斂怂拱l(fā)現(xiàn)了一種重金屬元素一一鉈。禾U 赫爾和萊克斯在一種鋅礦中發(fā)現(xiàn)了銦。法國人讓遜和英國人洛克爾在一次日食時，在太 陽大氣中發(fā)現(xiàn)了氦，這也是目前已知元素中唯一的一個不是在地球上發(fā)現(xiàn)的新元素。半定量和定量分析，主要依據(jù)譜線強度與元素含量之間的關(guān)系，除了分析試樣中含 有哪些元素外，還要知道這些元素的含量。圖1是發(fā)射光譜的實驗裝置圖。發(fā)光光譜技術(shù)的關(guān)鍵問題是如何是試樣發(fā)光和將試 樣所發(fā)的光引入光譜儀器。首先簡單介紹一下激發(fā)方法。目前激發(fā)的方法

6、有，火焰法、電弧法、電火花法、電 感應(yīng)耦合高頻等離子體法 （ICP）和激光法等。利用得到發(fā)射譜通常稱為火焰譜；用電弧和 電火花得到的，分別稱為電弧光譜和電火花光譜；用ICP法得到的稱為電感應(yīng)高頻等離子體光譜（一般寫成ICPAES）;用激光加熱試樣使其局部氣化，然后用放電激勵發(fā)光進 行光譜分析，稱為激光徽區(qū)光譜分析。不同的激發(fā)方式使原子發(fā)光的機制是不相同的，區(qū)別在于它們激發(fā)加熱的溫度不同。 火焰的溫度在 1700K 3500K。 低電流電弧的溫度在 4000K 7000K。電火花溫度可超 過10000K。ICP的加熱溫度也在 5000K 8000K，高的可達10000K。激光產(chǎn)生的溫度與 電火花

7、相似，它可以對樣品很微小的區(qū)域加熱氣化，而發(fā)光則是借助輔助電極激發(fā)氣化 的樣品，激光在這里的作用只是使樣品原子化。而其它方法，則是樣品的原子化和發(fā)光 是同時進行的。不同的加熱溫度對原子的激發(fā)程度也不一樣，加熱溫度低時，原子只能 被激發(fā)到較低的幾個激發(fā)能級上，得到的原子譜線的數(shù)目比較少，同時光譜結(jié)構(gòu)也比較 簡單?；鹧婀庾V就是這種情況。電火花的發(fā)生的溫度很高，往往使氣體的原子化被大量 電離成離子，使電火花光譜中出現(xiàn)許多許多離子光譜，因此電火花譜也被稱為離子光譜。 由于電弧加熱的溫度比火焰高，但比電火花低，電弧光譜中出現(xiàn)譜線數(shù)量比火焰光譜多， 同時離子譜線少，因此電弧光譜也稱為原子光譜。由于本實驗所

8、用試樣是氣體，激發(fā)方法是輝光放電法。具體方法是將氣體密封在一 個玻璃管內(nèi)，氣壓大約為幾十托。玻璃的兩端各有一個電極。當兩個電極間加一高壓， 電極所發(fā)射的電子在電場作用下，加速從一個電極到另一個電極。在這期間電子與氣體 分子發(fā)生碰撞，將氣體原子激發(fā)產(chǎn)生發(fā)光。下面介紹一下如何將所發(fā)的光引入光譜儀器，也就是發(fā)射光譜的照明系統(tǒng)。光譜儀 器中由機械零件構(gòu)成的狹縫本身并不發(fā)光，需要用光源予以照明。入射狹縫和譜線之間 為物象共軛關(guān)系，狹縫面上的光強直接影響譜線上的光強分布，因而直接影響譜線的成 象質(zhì)量。理想的照明系統(tǒng)要求：1能最大限度地利用光譜儀器的孔徑，即照明光束正好充滿準直物鏡的通光口徑， 這是所有種類

9、光譜技術(shù)的共同要求。2能使狹縫全部面積得到均勻的照明，這一要求對于攝譜儀是非常重要的，但對于 單色儀并不很重要。一般有兩類照明狹縫時，用光源直接照明入射狹縫時，光源上每一點發(fā)出的光可以 到達狹縫面上的任何一點。即使光源本身各點發(fā)光不均勻，入射狹縫也可以得到均勻照 明。由于狹縫長度遠大于其寬度，在實現(xiàn)使入射光充滿準直物鏡口徑時，采用這種照明 方法就遇到了困難，一般根據(jù)需要改變光源到狹縫的距離，在一個方向上使光正好充滿 準直物鏡的口徑。如果需要高分辨率就使在狹縫的寬度方向上充滿準直物鏡的口徑，這 時在狹縫長度方向上將大大超過準直物鏡的口徑，增加了雜散光水平。反過來，如果在 狹縫長度方向上使入射光充

10、滿準直物鏡的口徑，寬度方向上將小于準直物鏡的口徑，無 法讓準直后的光充滿色散系統(tǒng)的口徑，降低了分辯率。另外，由于狹縫的通光面積很小， 只能接收很小的一個立體角內(nèi)光源所發(fā)出的光，故光源利用率低，信號強度低。利用適當?shù)恼彰飨到y(tǒng)，目的是提高聚光能力，將光源發(fā)出的光更多地引入入射狹縫； 同時可以通過光改變照明系統(tǒng)的光學參數(shù)盡可能地實現(xiàn)理想照明。目前這類照明系統(tǒng)有 單透鏡、雙透鏡和三透鏡三種。單透鏡照明系統(tǒng)，是在光源與入射狹縫之間放置一個正透鏡，使光源被透鏡成象在 入射狹縫上。由于透鏡的通光面積遠大于入射狹縫的通光面積，可以收集更多的光進入 光譜儀器。同時，可以選擇透鏡的口徑。它是用單色儀研究光譜時，經(jīng)

11、常采用的一種照 明系統(tǒng)。雙透鏡和三透鏡照明系統(tǒng)主要用于攝譜儀，這里就不再介紹了。實驗儀器WGD 6型光學多道分析器、氣體輝光放電燈(氫、氦、氖、氮)、汞燈、微機等光學多道分析器簡介：圖2是本實驗所用的 WGD 6型光學多道分析器示意圖。它由光柵單色儀、CCD接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元、計算機等組成。該設(shè)備集光學、精密機械、電子學及計算機技術(shù)于一體，可實現(xiàn)對光源的光譜能量分布及介質(zhì)透光率的自動 測量。WGD 6型電控箱樣品室fCCD接收計算機打印機電源圖2 WGD6型光學多道分析器儀器圖此光學多道分析器中使用的光柵單色儀由三部分組成：入射狹縫和準直球面反射鏡構(gòu)成入射準直系統(tǒng)，

12、以產(chǎn)生平行光束；反射光柵G (600G/mm )構(gòu)成色散系統(tǒng)，以產(chǎn)生各種波長的單色光；聚焦球面反射鏡、平面反射鏡及出射狹縫及構(gòu)成出射聚光系統(tǒng)，將光 柵的單色光會聚在出射狹縫上，或者移開小反射鏡，使光束會聚在S2上。WGD 6型光學多道分析器在工作時，會聚透鏡將光源發(fā)出的連續(xù)光會聚到入射狹 縫Si上，然后投射到 Mi上。由于Si處在Mi的焦平面上，因此 Mi的反射光線成為平行 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的單色平行光。由 于光柵G受到由掃描系統(tǒng)控制的電機帶動而使光柵旋轉(zhuǎn)，因而不同波長單色平行光會相 繼投射到聚焦球面反射鏡 M2及出口狹縫 或S3上(因M2的焦平面

13、正好與 S2重合)。出 射光束光強的大小由 CCD檢測，此光電信號經(jīng)放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機中，經(jīng)計算 機處理后得到相關(guān)的光譜特性曲線。實驗內(nèi)容i、光學多道分析器的調(diào)節(jié)和波長示值的修正。調(diào)多道分析器的底腳螺釘，以保證多道分析器水平放置。以汞燈或鈉燈作為光源，使光源和會聚透鏡與多道分析器的光學系統(tǒng)共軸。校對多道分析器的波長示值的準確度并作相應(yīng)的修正。校正時，首先調(diào)好狹縫 Si的寬度(i 2mm)并點燃汞燈或鈉燈及打開儀器電控箱電源, 調(diào)入WGD 6型光學多道分析器的控制軟件，待準備狀態(tài)結(jié)束后，測量汞燈或鈉燈的能量譜。然后將計算機給出的汞的或鈉的標稱值與標準波長值（汞：438.5nm, 546.

14、1 nm ,577.0nm，579.1 nm ;鈉：589.0nm，589.6nm）對比。若出現(xiàn)偏差，則應(yīng)將修正值輸入計 算機中。對于我們實驗中所使用的WGD -6型光學多道分析器，波長示值的準確度 0.2nm。有關(guān)此儀器具體使用說明請閱讀儀器使用須知。2、測量氫在可見光區(qū)域的巴爾末線系各光譜的波長，并計算里德堡常數(shù)。點燃氫燈，并將其放置在前面貢或鈉燈所在的位置。測量氫在可見光區(qū)的光譜。并 記錄各譜線的波長計數(shù)。在相同激發(fā)條件下，處于各能級上的氫原子數(shù)目遵循按玻爾茲 曼分布，能級越低，該能級的氫原子的數(shù)目越多，造成在實驗中各譜線的強度相差懸殊。 盡管多道分析器對不同波長的透過率不同，但所觀察的

15、現(xiàn)象是波長長的譜線強度高。波 長短的譜線強度低。如果一次不能觀測到所有的譜線，應(yīng)改變各次實時采集范圍進行分 段實時采集。實驗中要求至少要測量 H _.,H H，H.四條譜線的波長。對于公式（1）中巴爾末線系躍遷的下能分別為n= 3、4、5、6,分別對應(yīng)于H-.,H 汕,H H ；,H。3、分別測氦、氖、氮的特征譜線（即“住留譜線” RU線），從而進一步研究發(fā)射光 源的光譜特性實驗步驟一、多道分析器的定標啟動光譜儀電源和汞燈電源開關(guān)，啟動計算機電源，進入WGD-6型控制軟件界面后回車，先對儀器進行初始化，待初始化后進入控制程序主菜單。2將汞燈置于入口狹縫處。 將入口狹縫調(diào)至合適位置 （通過觀察顯

16、示器中軟件上的譜 線寬度及高度來調(diào)節(jié)）。3用鼠標選擇 運行子菜單中的|實時采集對汞燈光譜進行測量。待測量完畢后（只需一瞬間），利用運行中的暫停后，再利用|數(shù)據(jù)處理|中的|自動定標|、檢峰項來對汞燈光譜 進行檢峰，檢出峰值較強的譜線，并和汞燈標準譜線（577.0nm、579.1 nm）進行對比，記下所測譜線與標準譜線之差可人=標準-所測o （利用手動前進|和手動后退|選擇合適的起 始波長值使577.0nm、579.1 nm能出現(xiàn)在顯示器屏幕上。此兩條譜線特點是高度幾乎相等，且距離比較接近一一相差2.1 nm,而且此兩條譜線的前一條譜線為汞光譜線中能量最大的譜線。）4 因坐標界面波長范圍為204.

17、8nm,在測量中可能一次不能測出全部所需波長范圍，應(yīng)重新運行步驟 3，并且用手動前進（或|手動后退）來選擇波長范圍，多次測量。（注意：只有在|實時采集|時才能用手動前進和手動后退）二、氫在巴爾末線系各光譜線的測量和里德堡常數(shù)的計算關(guān)閉汞燈電源，入口狹縫前撤掉汞燈，換上多組放電燈，將多組放電燈鑰匙孔插 在氫孔上，打開多組放電燈電源。2用鼠標選擇 一瞬間），利用運行運行|子菜單中的|實時采集|對氫燈光譜進行測量。待測量完畢后（只需中的|暫停|后，再利用|數(shù)據(jù)處理 中的|自動定標|、|檢峰|項來對氫燈光譜 進行檢峰，檢出峰值較強的譜線分別記錄下H , H . ,H - H ,其中H 一.二 H .,

18、兒，H 二 H, H 二 H,H .二 H .叮匕，（其理論值分另U 為：H -.鳥）=656.47nm ,H |.&=4）= 486.27nm , H（nz5）= 434.17nm ,H 占）=410.29nm, Hn=7 =397.12nm , Hn=8 =393.65nm , Hn=9 =389.02nm , Hn=io =379.90nm ,Hn=ii =377.17nm , Hn=i2 =375.13nm , Hn=i3 =373.55nm , Hn=i4 =372.30nm ,，在其附近找, 能找到幾條記幾條，至少應(yīng)找到五條譜線。）檢峰時，如譜線太低或太高，則相應(yīng)調(diào)整峰值范圍一一降低最小值或升高最大值3 對該處利用 運行中的模擬照像來觀察記錄現(xiàn)象，并分析其原理（要把原理分析體 現(xiàn)在實驗報告中）。關(guān)系曲線。（此步回去做）4利用公式（1