單色儀的定標(biāo)和光譜測(cè)量課件

單色儀的定標(biāo)和光譜測(cè)量

MonochromatorExperiments三級(jí)物理實(shí)驗(yàn)單色儀的定標(biāo)和光譜測(cè)量

MonochromatorExpe1內(nèi)容簡(jiǎn)介單色儀的用途光譜學(xué)發(fā)展史簡(jiǎn)介單色儀的結(jié)構(gòu)和原理閃耀光柵的工作原理單色儀的入射和出射狹縫鈉燈、He-Ne激光器、ＬＥＤ燈、汞燈的光譜測(cè)量濾光片的吸收特性光譜測(cè)量紅寶石吸收和發(fā)射光譜測(cè)量，羅丹明6G溶液的發(fā)光和吸收光譜測(cè)量?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介單色儀的用途2單色儀的用途從復(fù)色光源中提取單色光測(cè)量復(fù)色光源的光譜：研究目的—物質(zhì)的輻射特性，光與物質(zhì)的相互作用，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子分子能級(jí)結(jié)構(gòu)），遙遠(yuǎn)星體的溫度、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和方向。應(yīng)用范圍—采礦、冶金、石油、燃化、機(jī)器制造、紡織、農(nóng)業(yè)、食品、生物、醫(yī)學(xué)、天體與空間物理（衛(wèi)星觀測(cè)）等等。單色儀的用途從復(fù)色光源中提取單色光3光譜學(xué)發(fā)展史簡(jiǎn)介1、形成階段：1666年牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡太陽(yáng)光分解為七色光。1814年夫瑯和費(fèi)設(shè)計(jì)了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的吸收譜線（夫瑯和費(fèi)譜線）。2、研究室和應(yīng)用階段：1860年克希霍夫和本生為研究金屬光譜設(shè)計(jì)成較完善的現(xiàn)代光譜儀—光譜學(xué)誕生。由于棱鏡光譜是非線性的，人們開(kāi)始研究光柵光譜儀。光譜學(xué)發(fā)展史簡(jiǎn)介1、形成階段：4光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區(qū)受到材料的限制（光的波長(zhǎng)小于120nm，大于50m時(shí)不能用)光柵的角色散率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，棱鏡的角色散率與波長(zhǎng)有關(guān)。棱鏡的尺寸越大分辨率越高，但制造越困難，同樣分辨率的光柵重量輕，制造容易。光柵存在光譜重疊問(wèn)題而棱鏡沒(méi)有。光柵存在鬼線（由于刻劃誤差造成）而棱鏡沒(méi)有。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區(qū)受到材料的限制（光的波長(zhǎng)小于15單色儀的結(jié)構(gòu)和原理PMTM2GM1S1：入射狹縫S2：出射狹縫M1：離軸拋物鏡G：閃耀光柵M2：反光鏡PMT：光電倍增管

S1S2圖1三部分—光源和照明系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和接收系統(tǒng)單色儀的結(jié)構(gòu)和原理PMTM2GM1S1：入射狹縫S26單色儀的照明系統(tǒng)光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）電火花、電?。娀鸹òl(fā)生器）、激光、高低壓氣體燈（鈉燈、汞燈等）、星體、太陽(yáng)單色儀的照明系統(tǒng)光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）7單色儀的接收系統(tǒng)—光電倍增管單色儀的接收系統(tǒng)—光電倍增管8光電倍增管工作原理利用光電子發(fā)射效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)制成的光電器件。光電倍增管是電流放大元件，具有很高的電流增益，因而最適合于微弱信號(hào)的檢測(cè)。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪音低。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作電壓高、體積大。使用光電倍增管應(yīng)當(dāng)了解它的特性，如它的頻率特性、時(shí)間特性、暗電流和噪聲特性，還有穩(wěn)定性及對(duì)環(huán)境的要求等。光電倍增管工作原理利用光電子發(fā)射效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)制成的9光電倍增管使用注意事項(xiàng)負(fù)高壓可達(dá)900伏（光電倍增管加的電壓為負(fù)高壓）先開(kāi)電源，打開(kāi)測(cè)量軟件后，設(shè)定測(cè)量參數(shù)，根據(jù)測(cè)量要求再調(diào)節(jié)負(fù)高壓（關(guān)時(shí)一定要先關(guān)軟件，再關(guān)電源）。一般在半小時(shí)后陽(yáng)極電流達(dá)到穩(wěn)定（暗電流）。輸入光信號(hào)不可過(guò)強(qiáng)，光陰極面不可直接暴露在光照下（特別是在加了電壓的情況下，否則將燒毀光電倍增管）。為了盡可能降低噪聲在不使用光電倍增管的時(shí)候要擋住入射光。光電倍增管使用注意事項(xiàng)負(fù)高壓可達(dá)900伏（光電倍增管加的電壓10單色儀的分光系統(tǒng)—矩形光柵單色儀的分光系統(tǒng)—矩形光柵11入射光垂直矩形光柵時(shí)衍射光強(qiáng)的分布公式：

單縫衍射因子干涉因子a為光柵透光部分的寬度，N為光柵的總周期數(shù)d為光柵的周期，為衍射角入射光垂直矩形光柵時(shí)衍射光強(qiáng)的分布公式：?jiǎn)慰p衍射因子12單色光的光柵光強(qiáng)分布的曲線透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.02mm光柵的總條數(shù):N=4透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.03mm光柵的總條數(shù):N=100單色光的光柵光強(qiáng)分布的曲線透光縫寬:a=0.01mm透光縫寬13光柵方程式d為光柵周期，為入射角，為衍射角，m為衍射級(jí)次，為光的波長(zhǎng)。描述各個(gè)干涉因子主極大的位置光柵方程式d為光柵周期，為入射角，為衍射角，m為衍射級(jí)次14光柵的色散原理分辨本領(lǐng)譜線的半角寬度光柵的角色散本領(lǐng)光柵的光譜分辨本領(lǐng)理論分辨本領(lǐng)計(jì)算實(shí)例：m=1,N=64mm1200/mm=76800光柵的色散原理分辨本領(lǐng)譜線的半角寬度光柵的角色散本領(lǐng)光柵的光15閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線方向N為光柵面法線方向?yàn)楣饩€的入射角為光線的衍射角

b

光柵的閃耀角-b

角度的符號(hào)規(guī)定（順時(shí)針為正）閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線方向N為光柵面法線16入射角與閃耀波長(zhǎng)的關(guān)系幾何光學(xué)的方向能量最大：m=1一級(jí)閃耀波長(zhǎng)為5o，10o,30o587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm入射角與閃耀波長(zhǎng)的關(guān)系幾何光學(xué)的方向能量最大：m=1一級(jí)閃耀17光強(qiáng)曲線光強(qiáng)曲線18單色儀狹縫寬度的討論1、設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點(diǎn)為獨(dú)立的點(diǎn)光源）。2、設(shè)狹縫為無(wú)限細(xì)，由衍射理論可知譜線的半寬度為：3、當(dāng)狹縫a逐漸變寬時(shí)的變化如下圖所示：

a/anw0狹縫的最佳寬度單色儀狹縫寬度的討論1、設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一19狹縫寬度與分辨率、譜線強(qiáng)度的關(guān)系由上圖可見(jiàn)縫寬過(guò)大時(shí)實(shí)際分辨率下降，縫寬過(guò)小時(shí)出射狹縫上得到光強(qiáng)太小，取a=an最好。a/anRI1狹縫寬度與分辨率、譜線強(qiáng)度的關(guān)系由上圖可見(jiàn)縫寬過(guò)大時(shí)實(shí)際分辨20實(shí)驗(yàn)內(nèi)容光柵單色儀的定標(biāo)高壓汞燈光譜測(cè)量紅寶石晶體的發(fā)射和吸收光譜測(cè)量濾光片的吸收曲線測(cè)量羅丹明6G溶液的發(fā)射和吸收曲線測(cè)量藍(lán)色LED燈測(cè)量（400-550nm）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容光柵單色儀的定標(biāo)21光柵單色儀的定標(biāo)

―――鈉燈光譜589.0nm589.6nm光柵單色儀的定標(biāo)

―――鈉燈光譜589.0nm589.622鈉原子的光譜光譜公式（里德堡常數(shù)R）主線系589.0nm/589.6nm銳線系616.0nm/615.4nm漫線系568.3nm/568.86nm497.78nm/498.2nm鈉原子的光譜光譜公式（里德堡常數(shù)R）23高壓汞燈光譜測(cè)量高壓汞燈光譜測(cè)量24顏色波長(zhǎng)/nm強(qiáng)度紫色△404.66強(qiáng)△407.78中410.81弱433.92弱434.75中△435.84強(qiáng)藍(lán)綠色△491.60強(qiáng)△496.03中綠色535.41弱536.51弱△546.07強(qiáng)567.59弱黃色△576.96強(qiáng)△579.07強(qiáng)585.92弱589.02弱橙色△607.26弱△612.33弱紅色△623.44中深紅色△671.62中△690.72中708.19弱汞燈的主要發(fā)射譜線顏色波長(zhǎng)/nm強(qiáng)度紫色△404.66強(qiáng)△407.78中41025單色儀實(shí)際分辨率的測(cè)量波峰波的半高寬度分辨率單色儀實(shí)際分辨率的測(cè)量波峰26紅寶石晶體的發(fā)射和吸收譜線694.3nm692.8nm紅寶石晶體的發(fā)射和吸收譜線694.3nm692.8nm27濾光片的吸收曲線濾光片的吸收曲線28羅丹明6G溶液的發(fā)射和吸收光譜測(cè)量羅丹明6G溶液的發(fā)射和吸收光譜測(cè)量29LED燈的光譜測(cè)量LED燈的光譜測(cè)量30實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)光源位置和光路設(shè)計(jì)與調(diào)整；狹縫的寬度確定和調(diào)整負(fù)高壓值的選取實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)光源位置和光路設(shè)計(jì)與調(diào)整；31【注意事項(xiàng)】入射狹縫與出射狹縫可微調(diào)汞燈在測(cè)量10分鐘前打開(kāi)預(yù)熱穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)束后立刻關(guān)閉盡量避免強(qiáng)光直接入射到單色儀中以免損傷光電倍增管，負(fù)高壓不得超過(guò)90