单色仪.ppt

,单色仪实验钱建强物理实验中心,近代物理实验,提纲,分光、光谱的概念种类和用途目的和要求基本原理实验仪器实验内容操作注意事项思考问题,近代物理实验,光谱学发展史,1、形成阶段：1666年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。2、研究室和应用阶段：1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。,光栅与棱镜相比,棱镜的工作光谱区受到材料的限制（光的波长小于120nm，大于50m时不能用)光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率与波长有关。棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。,光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没有。,优点,缺点,单色仪的用途,从复色光源中提取单色光测量复色光源的光谱：研究目的物质的辐射特性，光与物质的相互作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远星体的温度、质量、运动速度和方向。应用范围采矿、冶金、石油、燃化、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理（卫星观测）等等。,近代物理实验,了解单色仪的构造原理并掌握其使用；加深对介质光谱特性的了解;掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法.,实验目的和教学的要求,仪器概述,近代物理实验,单色仪是通常使用的基本光谱仪器。WDP500-C型光栅单色仪是用(几块)光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以把紫外、可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光。如配备电子束激发器，X射线激光器，光子激发器和高频等离子、辉光放电等稳定光源相配套，可以进行光谱化学分析，如原子吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱、激光光谱的定性及定量分析。同时还可以进行物理量的测量,如测定接收元件的灵敏特性、滤光片吸收特性及光源的能谱分析、光栅的集光效率等。,概述,近代物理实验,介质对光的吸收、透射和反射通常与入射光的波长有关，介质的这种特性称为介质的光谱特性。测量介质的光谱特性是光学测量及材料研究等方面的重要内容。,实验原理,近代物理实验,S1：入射狭缝；S2:出射狭缝；M1：离轴抛物镜；G：光栅;M2:反光镜；M3:滤光片,WDP500C型光栅单色仪光学系统图,三部分光源和照明系统、分光系统和接收系统,单色仪的照明系统,光源：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳,光电倍增管,利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。注意事项：（1）负高压500伏（光电倍增管加的电压为负高压）先开电源再开高压（关时一定要相反）。（2）一般在半小时后阳极电流达到稳定（暗电流）。（3）输入光信号不可过强，光阴极面不可直接暴露在光照下（特别是在加了电压的情况下，否则将烧毁光电倍增管）。（4）为了尽可能降低噪声在不使用光电倍增管的时候要挡住入射光。,实验原理,近代物理实验,(1)光源；（2）透镜；（3）入射狭缝；（4）单色仪机箱；（5）导轨；（6）测光仪；（7）出射狭缝；（8）光电倍增管,单色仪的分光系统矩形光栅,单色光的光栅光强分布的曲线,透光缝宽:a=0.01mm光栅周期:d=0.02mm光栅的总条数:N=4,透光缝宽:a=0.01mm光栅周期:d=0.03mm光栅的总条数:N=100,实验原理,近代物理实验,实验原理,近代物理实验,考虑槽面之间的干涉，当满足光栅方程,时，光强将有一极大值，或者说将出现一亮条纹。,本仪器采用的光路中，对中心波长而言，入射角与衍射角相等，这种特殊而又通用的布置方式称为Littrow型。因此对中心波长有,随着光栅的转动，和随之发生变化，这样在出射狭缝处出现的中心波长也变化了。,光强曲线,实验原理,近代物理实验,本实验中采用WDPF-C测光仪测量光强。在合适的条件下，测光仪输出的数值与照射到它上的光的强度成正比。所以读出测光仪的读数就可由下式计算光谱透射率和吸收系数：,m1和m2分别表示试样厚度分别为和时测光仪的读数。,实验内容和步骤,近代物理实验,（一）单色仪的调节和波长示值准确度的标定1利用水平仪调平单色仪。2调节光源系统，使光源和会聚透镜与单色仪的光学系统共轴。调节共轴的目的是使入射光能照明整个光栅，以便有尽量多的光从出射狭缝射出。3.检测单色仪的波长示值的准确度。（用汞灯作为光源，以获得标准波长值。）单色仪在出厂前以及在使用过程中，需要对它的主要技术指标如分辩率、波长示值准确度等进行标定。本实验不要求对单色仪的各项指标都进行标定，仅要求对它的波长示值进行标定。,实验内容和步骤,近代物理实验,标定时，将单色仪的波长读数装置转到示值在577.0579.1nm之间的某一位置。将出射缝S2宽度暂时调到约2mm。用眼睛迎着出射光方向观察S2上汞的两条黄谱（577.0和579.1nm）。调节入射狭缝的宽度、光学系统等，直到旋转光栅转动（从576.0到580.0nm）时，观察到出射缝出现：暗亮暗亮暗的变化规律，可以认为两条黄谱线刚好分开。再调节S2的宽度，使S2的宽度与任何一条黄谱线的衍射象的宽度大致相等。在出射缝上装上光电倍增管。单向转动调节手轮，检查测光仪读数出现峰值时波长读数装置的示值是否与汞的几条谱线的标准波长（365.0nm,435.8nm,546.1nm,577.0nm,579.1nm）一致。反复做3次，并纪录。时值的平均值与标准波长之差即为波长示值的准确度。,实验内容和步骤,近代物理实验,（二）测量钕玻璃在550.0620.0nm范围的吸收谱曲线用溴钨灯作光源并进行共轴调节。已调好的狭缝保持不变。测光仪加负500V左右的高压，并选用适当的放大倍数，先用挡光物（用黑纸片等）挡去入射狭缝上的任何光以确定测光仪的起始位置。再打开溴钨灯，在入射缝上装上钕玻璃。然后定性观察钕玻璃对各色光的吸收情况，确定吸收峰的大致位置。正式测量。开始可每隔5-10nm测一次，在吸收峰附近测量点应多一些。为了减少因光源发光不十分稳定引起的误差，应在每一波长下分别对两片钕玻璃片相继进行测量。,实验中应注意和考虑的几个问题,近代物理实验,1汞灯和溴钨灯的灯丝结构是不同的。为了让尽量多的光尽可能均匀的照明入射狭缝S1,校对波长示值时应将会聚透镜产生的汞灯的小像成在S1上，而测量时应将溴钨灯的大像成在S1上。2为了减少钕玻璃片厚度不均及光电倍增管受光面上各处光谱响应可能有差异而产生误差，应保持钕玻璃和光电倍增管的位置不变。3.狭缝S1和S2的宽度不得超过3mm，实验完毕应将入射缝、出射缝盖严，以免污损。4光电流放大器应选择最佳的测试条件：放大调节至最小，调负高压（一般在500V以下宜），使光读数适中，在整个测试过程中，应严格保持测试条件不变。5在实验时不能让光电倍增管曝强光，不能在加负高压时取下光电倍增管，否则会烧坏光电倍增管。实验结束时应先关负高压，再关溴钨灯，最后关总电源开关。,单色仪狭缝宽度的讨论,1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源）。2、设狭缝为无限细，由衍射理论可知谱线的半宽度为：3、当狭缝a逐渐变宽时的变化如下图所示：,a/an,w0,狭缝的最佳宽度,狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系,由上图可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取a=an最好。,a/an,R,I,1,思考题,近代物理实验,1.为什么要进