分光計(jì)的調(diào)整和光柵常數(shù)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)4-11分光計(jì)的調(diào)整及光柵常數(shù)測(cè)定分光計(jì)作為基本的光學(xué)儀器之一，它是精確測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，也稱之為測(cè)角儀。光學(xué)中很多基本量（如反射角、折射角、衍射角等）都可以由它直接測(cè)量。因此，可以應(yīng)用它測(cè)定物質(zhì)的有關(guān)常數(shù)（如折射率、光柵常數(shù)、光波波長(zhǎng)等），或研究物質(zhì)的光學(xué)特性（如光譜分析）。應(yīng)用分光計(jì)必須經(jīng)過一系列仔細(xì)的調(diào)整，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，在學(xué)習(xí)使用過程中，要做到嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致，才能正確掌握?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解分光計(jì)的基本構(gòu)造，學(xué)會(huì)調(diào)整分光計(jì)。.觀察光柵衍射現(xiàn)象，學(xué)會(huì)用分光計(jì)測(cè)光柵常數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】光柵是利用衍射原理使光發(fā)生色散的光學(xué)元件，其由大量等寬、等間距、相互平行的狹縫（或刻痕）組成。光柵分為透射式和反射式兩類，并有平面、凹面之分。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射理論，當(dāng)波長(zhǎng)為2的單色平行光垂直照射到光柵上時(shí)，經(jīng)每一狹縫的光都要產(chǎn)生衍射，由于各縫發(fā)出的衍射光都是相干光，彼此要產(chǎn)生干涉，于是在透鏡L的焦平面上，就會(huì)形成一系列被相當(dāng)寬的暗區(qū)隔開的又細(xì)又亮的明條紋，稱為譜線（見圖4-11-1）。各明條紋所對(duì)應(yīng)的衍射角。應(yīng)滿足下列條件（a+b）sin。=k九 （k=0,±1,±2,） （4-11-1）式中a為狹縫寬度，b為縫間距離，（a+b）稱為光柵常數(shù)，k為光譜線的級(jí)次。對(duì)圖4-11-1應(yīng)于k=0的明條紋為中央明條紋，也稱為零級(jí)譜線。若入射光為復(fù)色光，則各波長(zhǎng)的零級(jí)譜線均在同一位置，其它級(jí)次的譜線位于零級(jí)譜線的兩側(cè)，且同級(jí)譜線按不同波長(zhǎng)，從短波向長(zhǎng)波散開，即衍射角逐漸增大，形成光柵光譜。由式4-11-1）可以看出，如果已知入射光波長(zhǎng)，只要測(cè)出其k級(jí)譜線相應(yīng)的衍射角。就可以計(jì)算出光柵常數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】分光計(jì)、平面反射鏡、光柵、汞燈

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】.調(diào)整分光計(jì)（1）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡使之聚焦于無窮遠(yuǎn)，適于接收平行光。（2）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器轉(zhuǎn)軸垂直。（3）調(diào)整平行光管使之產(chǎn)生平行光，光軸垂直于轉(zhuǎn)軸。（4）調(diào)整狹縫寬度適當(dāng)（約1mm），且與望遠(yuǎn)鏡中分劃板豎線平行，水平線位于狹縫像中點(diǎn)，并消除視差，如圖4-11-8所示。以上調(diào)整方法詳見附錄分光計(jì)的調(diào)整部分。.放置光柵后的調(diào)節(jié)（1）取下平面鏡，按圖4-11-9放置光柵。使光柵平面垂直于載物臺(tái)下的兩個(gè)調(diào)節(jié)螺絲a、b的連線，且使光柵面對(duì)著望遠(yuǎn)鏡。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，從望遠(yuǎn)鏡中能觀察到由光柵面反射回來的綠“+”字像，調(diào)節(jié)載物臺(tái)下螺絲a或b,使綠“+”字像處于標(biāo)準(zhǔn)位置，如圖4-11-8所示。圖4-11-2圖4-11-3圖4-11-2圖4-11-3光譜線排列方向圖4-11--4（3）緊固載物臺(tái)和度盤制動(dòng)螺絲。旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，觀察中央明紋兩側(cè)的光譜線是否等高。若不等高，如圖4-11-10所示，調(diào)載物臺(tái)調(diào)節(jié)螺絲c,光譜線排列方向圖4-11--4必須注意，譜線等高調(diào)好后還需要返回檢查光柵平面是否仍平行于轉(zhuǎn)軸，即觀察由光柵平面反射回來的綠“+”字像是否仍處于圖4-11-8所示的位置。若有改變，則必須再調(diào)節(jié),直到譜線等高和光柵平面平行于轉(zhuǎn)軸兩個(gè)要求均得到滿足為止。.測(cè)量光柵常數(shù)（1）以汞燈為光源，測(cè)±1級(jí)綠色譜線（入=546.07nm）的衍射角，即轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使分劃板的豎線分別對(duì)準(zhǔn)±1級(jí)綠色譜線，并記錄分光計(jì)兩個(gè)窗口的相應(yīng)讀數(shù)。（2）重復(fù)測(cè)量5次。計(jì)算光柵常數(shù)并用不確定度評(píng)定測(cè)量結(jié)果。計(jì)算衍射角的公式為(4-11-2)式中的o和于為由分光計(jì)兩個(gè)窗口測(cè)得的+1級(jí)光譜所對(duì)應(yīng)角度的平均值;3和9為由11 —1 —1兩個(gè)窗口測(cè)得的-1級(jí)光譜所對(duì)應(yīng)角度的平均值。【注意事項(xiàng)】.分光計(jì)為精密儀器，各活動(dòng)部分均應(yīng)小心操作。當(dāng)輕輕推動(dòng)可轉(zhuǎn)動(dòng)部件而無法轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，切記不能強(qiáng)制使其轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)分析原因后再進(jìn)行調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)各旋鈕時(shí)動(dòng)作應(yīng)輕緩。.嚴(yán)禁用手觸摸光柵及望遠(yuǎn)鏡、平行光管上各透鏡的表面，如發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重玷污，可報(bào)告老師進(jìn)行處理。.調(diào)節(jié)狹縫寬度時(shí)應(yīng)用光源照明，千萬不能使其閉合，以免使狹縫受到嚴(yán)重?fù)p壞。.在測(cè)量時(shí)，為了使分劃板刻線精確對(duì)準(zhǔn)光譜線（明紋），當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡基本對(duì)準(zhǔn)譜線位置后，必須鎖定望遠(yuǎn)鏡與刻度盤，利用微動(dòng)螺絲使之對(duì)準(zhǔn)?！舅伎碱}】.分光計(jì)的調(diào)整應(yīng)滿足哪些要求？.為什么當(dāng)綠色“+”字像對(duì)準(zhǔn)上叉絲中心時(shí)，望遠(yuǎn)鏡光軸必和平面鏡垂直？（作光路圖說明）附錄一、分光計(jì)的構(gòu)造分光計(jì)主要由：底座、平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物平臺(tái)和讀數(shù)圓盤（包括度盤和游標(biāo)盤）五部分組成。圖1-11-2所示是FGY-01型分光計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。.圓盤底座它位于分光計(jì)的下部，其中心有一豎軸，望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)盤均可繞該軸轉(zhuǎn)動(dòng)。1-平行光管2-望遠(yuǎn)鏡3-載物平臺(tái)4-狹縫調(diào)節(jié)螺絲5-狹縫體固定螺絲6-平行光管調(diào)節(jié)螺絲7-平行光管鎖緊螺絲8-平臺(tái)升降固定螺母9-平臺(tái)臺(tái)面調(diào)節(jié)螺絲（3只）10-平臺(tái)鎖緊螺絲11、12-壓緊螺栓13-目鏡筒鎖緊螺絲14-目鏡15-燈座16-望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦螺母17-望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺絲18-望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)螺絲19-望遠(yuǎn)鏡和游標(biāo)盤微動(dòng)螺絲20-雙芯插孔21-望遠(yuǎn)鏡和游標(biāo)盤鎖緊螺絲22-度盤鎖緊螺絲23-度盤微動(dòng)螺絲24-讀數(shù)窗（左右各一個(gè)）25-電源開關(guān)圖4-11-5.平行光管平行光管由透鏡和狹縫組成，結(jié)構(gòu)如圖4-11-3所示。它的作用是產(chǎn)生平行光。平行光管安裝在固定于底座的立柱上，狹縫與透鏡之間的距離可以通過伸縮狹縫套管來調(diào)節(jié)。只要將狹縫調(diào)到透鏡的焦平面上，則從狹縫發(fā)出的光經(jīng)透鏡后即成為平行光。圖4-11-6注意：狹縫的刀口是經(jīng)過精密研磨制成的，為避免損傷狹縫只有在望遠(yuǎn)鏡中看到狹縫像的情況下才能調(diào)節(jié)狹縫的寬度。.望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡是用來接收平行光的。分光計(jì)中采用的是自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡。它由物鏡、目鏡和分劃板三部分組成。常用的自準(zhǔn)目鏡有高斯目鏡和阿貝目鏡兩種。FGY-01型分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡裝有阿貝目鏡，它由兩個(gè)鏡片組合而成，如圖4-11-4所示。當(dāng)分劃板處于目鏡和物鏡的共焦面上時(shí)，從物鏡入射的平行光會(huì)聚于分劃板上，又經(jīng)目鏡平行射出，這時(shí)稱望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)。望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)應(yīng)調(diào)整到此狀態(tài)。FGY-01型分光計(jì)所用的自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡在目鏡和分劃板之間，緊靠分劃板的下端裝有一塊全反射小三棱鏡，分劃板的下部被三棱鏡遮擋。三棱鏡緊靠分劃板的那一面刻有一“+”字通光窗口。目鏡筒下側(cè)開有一小孔，照明小燈的光經(jīng)濾光片后自該小孔進(jìn)入，經(jīng)全反射小棱鏡反射后，沿望遠(yuǎn)鏡光軸方向照亮分劃板。被照亮的分劃板相當(dāng)于一個(gè)光源。利用此光源，就可將物鏡和目鏡調(diào)節(jié)到與分劃板共焦面的狀態(tài)。首先，如果分劃板處于目鏡的焦平面上，通過目鏡就能觀察到分劃板清晰的像。其次，改變物鏡與分劃板的距離，使分劃板同時(shí)位于物鏡的焦平面上，從中'字窗口發(fā)出的光經(jīng)物鏡后成為一束平行光。如果前方有一平面鏡將這束平行光反射回來，再經(jīng)物鏡將成像在位于其焦平面的分劃板上，那么從目鏡中就可以同時(shí)看到分劃板與窗口的+'字形反射像，并且不應(yīng)該有視差。這時(shí)，物鏡與目鏡達(dá)到了共焦面狀態(tài)，這就是用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡使之適合接收平行光的原理。圖4-11-7.載物平臺(tái)載物平臺(tái)用來放置待測(cè)物體，它套在轉(zhuǎn)軸上可以單獨(dú)繞軸旋轉(zhuǎn)。臺(tái)面上有夾持待測(cè)物的壓緊螺栓，下面有三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲用來調(diào)節(jié)載物平臺(tái)的平直度。.讀數(shù)圓盤讀數(shù)圓盤是用來指示望遠(yuǎn)鏡或載物平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角的，由度盤和游標(biāo)盤組成。盤平面垂直于轉(zhuǎn)軸，并可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。度盤刻有1080條等分刻度線，每小格為20。游標(biāo)盤的角寬度為13°,有40條等分刻線，每小格為30〃。（有些分光計(jì)度盤為720分格，游標(biāo)是30分格，每小格為1'）。在度盤和游標(biāo)下面裝有照明小燈，光線能透過度盤和游標(biāo)盤的刻線（透光線）。當(dāng)兩盤的刻線相重合時(shí)，度盤刻線和游標(biāo)刻線連成一條亮線，其它刻線因相互遮擋而較暗。讀數(shù)方法是以游標(biāo)盤的0線為準(zhǔn)，在度盤上讀出度值和分值A(chǔ)；再找游標(biāo)盤上剛好與度盤的刻線對(duì)齊的亮線（若有兩條亮線，可取其中間值）根據(jù)亮線從游標(biāo)盤上讀出分值和秒值B，A和B之和即為讀數(shù)值。讀數(shù)示例見圖4-11-5。為了消除因度盤和游標(biāo)盤不同軸而引起的偏心誤差，分光計(jì)上設(shè)置了兩個(gè)讀數(shù)窗口，其讀數(shù)差為180°。測(cè)量轉(zhuǎn)角時(shí)，應(yīng)從兩個(gè)窗口同時(shí)讀數(shù)，并按下式求平均值中=2叱-91+4-921 （4-11-3）式中丫；為從兩個(gè)窗口讀得的起始值，丫2為轉(zhuǎn)動(dòng)后讀得的值，平為望遠(yuǎn)鏡實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度。255A=250?2Q' B=2Z0=A+B=250*20,+2'?250,22z圖4-11-8注意：在測(cè)量一個(gè)轉(zhuǎn)角時(shí)，若某一窗口的先后兩次讀數(shù)中，后一個(gè)讀數(shù)為沿角度增加方向而過度盤上的“360°”的一個(gè)讀數(shù)，如329°10/30〃和5°10;30〃，則后一讀數(shù)應(yīng)加上360°,即應(yīng)讀為329°10；30〃和365°10；30〃。反之，若后一讀數(shù)為沿角度減小的方向轉(zhuǎn)過度盤上的“360°”的讀數(shù)時(shí)，如25°10；45〃和353°10；30〃則應(yīng)將前一讀數(shù)加上360°,變?yōu)?85°10；45〃和353°10；30〃。二、分光計(jì)的調(diào)整為了精確測(cè)量角度，必須使待測(cè)角平面平行于讀數(shù)圓盤平面。由于制造儀器時(shí)已使讀數(shù)圓盤平面垂直于中心轉(zhuǎn)軸，因而也必須使待測(cè)角平面垂直于中心轉(zhuǎn)軸。為滿足此要求，測(cè)量前必須對(duì)分光計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到三個(gè)要求：（1）望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)。（2）平行光管出射平行光。（3）經(jīng)過待測(cè)光學(xué)元件的光線（如入射、折射、反射、衍射光線等）構(gòu)成的平面應(yīng)與儀器的中心轉(zhuǎn)軸垂直，即要求平行光管、望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于轉(zhuǎn)軸；待測(cè)元件的光學(xué)面應(yīng)平行于轉(zhuǎn)軸。為保證這些要求得到滿足，必須對(duì)分光計(jì)進(jìn)行下述調(diào)節(jié)。其中尤以望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)最為重要，其它調(diào)節(jié)均以望遠(yuǎn)鏡為準(zhǔn)。具體的調(diào)整方法為：.目測(cè)粗調(diào)將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至正對(duì)平行光管的位置，旋開螺絲7、17,調(diào)節(jié)螺絲6、18使望遠(yuǎn)鏡與平行光管大致位于同一水平線上。調(diào)節(jié)螺絲9,使載物平臺(tái)與轉(zhuǎn)軸大致垂直。接通電源點(diǎn)燃汞燈。.精細(xì)調(diào)節(jié)（1）調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡使之聚焦于無窮遠(yuǎn)。a.目鏡調(diào)焦接通望遠(yuǎn)鏡照明小燈電源，從望遠(yuǎn)鏡中可看到分劃板和位于下方的綠色+'窗口。旋轉(zhuǎn)目鏡，直到使分劃板上叉絲成像清晰，且無視差（即眼睛左右移動(dòng)時(shí)叉絲的像不發(fā)生明顯的移動(dòng)）為止。此時(shí)分劃板已處于目鏡的焦平面上。b.物鏡調(diào)焦將平面反射鏡按圖4-11-6所示的方式放于載物臺(tái)上。輕緩轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)觀察平面鏡中的綠色“+”字像。比較此像與望遠(yuǎn)鏡的高低，適當(dāng)調(diào)節(jié) —調(diào)節(jié)螺絲望遠(yuǎn)鏡的傾斜度（調(diào)18）和平面反射鏡的垂直度（調(diào)/八\平面鏡9）使此像能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡視野。這時(shí)再?gòu)耐h(yuǎn)鏡中觀 I1匚察，可以找到被平面反射鏡反射回來的綠色+'字 \像。如此像較模糊，可松開螺絲13,旋動(dòng)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦 '、、一一，螺母16,直到反射“+”字像清晰且無視差為止。此 圖4-11-9時(shí)分劃板已處于望遠(yuǎn)鏡目鏡和物鏡的共焦平面上，即望遠(yuǎn)鏡已聚焦于無窮遠(yuǎn)。旋緊螺絲13,此后目鏡筒不要再伸縮移動(dòng)了。（2）調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器轉(zhuǎn)軸相垂直a.把載物平臺(tái)（包括平面反射鏡）轉(zhuǎn)過180°,分別使平面反射鏡的兩反射面反射回來的綠色“+”字像均能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。b.將反射鏡的一個(gè)反射面正對(duì)著望遠(yuǎn)鏡，此時(shí)觀察綠色“+”字像可能與分劃板上方的十字線不重合，有一高度差S,見圖4-11-7（a）。調(diào)節(jié)螺絲a（見圖4-11-6）,使高度差減小一半，如圖4-11-7（b）,再調(diào)節(jié)螺絲18,改變望遠(yuǎn)鏡傾斜度，使高度差為零，即綠色十，字像與分劃板上方的十字叉線重合，見圖4-11-7（c）。這種調(diào)節(jié)方法稱作“各半調(diào)節(jié)法”。c.將載物平臺(tái)（包括平面反射鏡）再轉(zhuǎn)過180°,此時(shí)反射鏡的另一反射面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，同樣用“各半調(diào)節(jié)法”進(jìn)行調(diào)節(jié)，使綠產(chǎn)字像與分劃板上方的十字線重合。d.重復(fù)上述調(diào)節(jié)步驟中的b和c,直至從兩個(gè)反射面反射回來的綠色“+”字像均與分劃板上方的十字線重合為止。此時(shí)望遠(yuǎn)鏡的光軸已垂直于儀器的轉(zhuǎn)軸。在上述調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡或載物平臺(tái)時(shí)，若綠葉”字的移動(dòng)方向與分劃板的水平線不平行，表明分劃板的分劃線未處于水平位置，應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡筒，使綠+'字像的移動(dòng)方向與分劃板水平分劃線平行，但不要破壞望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦。

(a)從平面鏡返回之“+”字像與分劃(a)從平面鏡返回之“+”字像與分劃板上橫線間距為S(b)調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)節(jié)螺絲使“+”字像上移S/2圖4-11-10(c)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度使，，+，，字像位于分劃板上方橫線處完成上述調(diào)節(jié)后，望遠(yuǎn)鏡已達(dá)到要求，應(yīng)把望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺絲17輕輕旋緊。此后，望遠(yuǎn)鏡只能繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)而不能再進(jìn)行任何調(diào)節(jié)。(3)調(diào)節(jié)平行光管用已聚焦于無窮遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡為標(biāo)準(zhǔn)，如果平行光管出射的是平行光，射入望遠(yuǎn)鏡必會(huì)聚到分劃板上。調(diào)節(jié)時(shí)：a.移去平面反射鏡，用光源照亮平行光管狹縫。