用衍射光栅测光波波长.doc

实验九用衍射光栅测光波波长一、实验目的1了解分光计的构造和使用方法。2观察光栅衍射现象。3掌握用分光计、衍射光栅测光波波长的方法。二、实验器材分光计、平面透射光栅、双面平面镜、钠光灯三、仪器描述分光计是实验室中常用的精密光学仪器，用它可以准确测量角度和观察光谱。它由五部分组成：平行光管、望远镜、载物平台、读数圆盘和底座。其结构如图91所示。1底座，是整个分光计的支架。其中心有一垂直方向的转轴即仪器的中心轴，望远镜、刻度盘和游标盘均可绕该轴转动。2望远镜，由物镜、十字分划板和目镜组成，用来观察由载物平台上的光栅所形成的光谱和衍射条纹。它与游标盘相连，可同时绕中心轴旋转，并通过游标读出它的角位置。在望远镜筒内的物镜焦平面处有一分划板，其上有两十字交叉的细丝称为叉丝，转动望远镜可使叉丝落在波长为的某级衍射亮纹上，这样便可由游标读出各级衍射亮纹相对应的角位置。在分划板的正下方刻有一个透光的小十字叉丝，为了照明小十字叉丝，目镜管外装一“T”形接头，其中装有一个6.3V电珠，光线透过绿色窗口沿望远镜光轴从物镜射出。调节螺丝、可改变望远镜光轴倾斜程度和水平位置，使之垂直于仪器中心轴。螺丝用来固定望远镜，松开它，望远镜可绕中心轴转动，当它锁紧后，可用螺丝微调望远镜的水平位置。3载物平台，用来放置平面镜、三梭镜、光栅等光学元件。松开螺丝，平台可绕中心轴自由转动，也可根据需要升高或降低平台。调节平台到所需位置后，再用螺丝将之固定。调平螺丝（共有三只成三角形设置）调节平台水平面，使之与中心轴垂直。4读数圆盘，由可绕中心轴转动的刻度盘（主尺）和游标盘（副尺）组成。刻度盘分为720 等分，共360 ，最小刻度为30，刻度盘可与望远镜固连一起转动；内盘为游标盘，盘上相对180 的位置嵌有两个相同的游标，它分为30等分，与刻度盘上29小格等长，精度为1，读数原理和方法与游标卡尺相似。如图92 所示的读数为116 +112=116 12。读数时可手持照明放大镜协助读数。为了克服由于游标盘与刻度盘可能不是严格的同心所造成的偏心误差，每次测量必须分别读出A、B 游标的读数，然后取其平均值。游标盘通过螺丝与载物平台相连。松开螺丝，游标盘可带动平台绕中心轴转动。当锁紧时，可用螺丝微调游标盘位 图91 分光计结构狭缝装置；狭缝装置锁紧螺丝；平行光管部件；制动架（一）；载物平台；载物平台调平螺丝（3 只）；载物平台锁紧螺丝；望远镜部件；目镜锁紧螺丝；阿贝式自准直目镜；目镜调节手轮；望远镜光轴倾斜度调节螺丝；望远镜光轴水平调节螺丝；支臂；望远镜微调螺丝；转座与读数圆盘锁紧螺丝；望远镜锁紧螺丝（在另一侧）；制动架（二）；底座；转座；刻度盘；游标盘；立柱；游标盘微调螺丝；游标盘锁紧螺丝；平行光管光轴水平调节螺丝；平行光管倾斜度调节螺丝；狭缝宽度调节手轮 图92 分光计读数盘读数5平行光管，用来产生平行光束，由狭缝和装在套管另一端的物镜组成。狭缝由螺丝来调节宽度，调节的范围是 0.022 毫米。螺丝是狭缝固定螺丝，松开可以调节狭缝和物镜间的距离，并可转动狭缝。当狭缝正好位于物镜的焦平面时，从狭缝射进来的光经物镜后就成为平行光。平行光管与分光计的底座固定在一起，螺丝、分别用来调节平行光管的水平和高低位置。四、实验原理光栅是一种重要的分光元件，它可以把入射光中不同波长的光分开，衍射光栅有透射光栅和反射光栅两种，常用的是平面透射光栅，它是由许多相互平行等距的透明狭缝组成，其中任意相邻两条狭缝的中心距离d称为光栅常数。根据夫琅和费衍射理论，当一束平行光垂直地投射到光栅平面上时，每条狭缝对光波都会发生衍射，所有狭缝的衍射光又彼此发生干涉。衍射角符合条件 ， （k = 0、1、2、3 ） (91)图93 光栅衍射时，在该衍射角方向上的光相叠加将会加强，其它方向光相抵消。如果用会聚透镜把这些衍射后的平行光会聚起来，则在透镜的焦平面上将出现一系列亮纹，形成衍射图样。如图93所示，式（91）称为光栅方程，其中为入射光波波长，为衍射角，k为衍射亮纹的级数。在为0的方向上可以观察到中央亮纹。其它各级亮纹对称分布在中央亮纹两侧。若已知光栅常数d，测出相应的衍射条纹与0级条纹间的夹角，便可求出光波波长。五、实验步骤调节分光计分光计的调节主要是使平行光管发出平行光，望远镜聚焦于无穷远，平行光管和望镜的光轴与分光计的中心转轴垂直。首先进行粗调，即用眼睛估测：把载物平台、望远镜和平行光管大致调成水平，然后对各部分进行细调节。（1）调节望远镜。调节目镜，看清分划板上的十字黑刻线。然后使电珠发出的光线照亮叉丝，将一平面反射镜放在载物平台上。为了调节方便，把平面镜一侧边与三个调平螺丝的其中一个对齐，另一侧边放在另外两个调平螺丝之间的中垂线上，并用弹簧片夹固定。调节另外两个调平螺丝，则可以改变平面镜对望远镜光轴的仰角。缓慢转动游标盘或左右移动望远镜，从望远镜内找到反射回来的叉丝像；松开螺丝，移动套简，以便看到清晰的绿十字”像，此时叉丝与叉丝像都处于物镜的焦平面上。即望远镜己聚焦于无穷远。调节望远镜的倾斜螺丝，使“绿十字”像的中心向分化板的上方水平线逼近一半，再调节载物台的调平螺丝，使“绿十字”像与上方水平线重合。转动望远镜使“绿十字”像与上方黑十字重合。将载物台旋转180，再观察，若像不在原位，再用上述方法反复调节，直至“绿十字”像和分划板上方黑十字重合，再旋转180 时也不变，如图94所示，此时望远镜的光轴与分光计中心轴垂直。图94 十字分划板（2）调节平行光管。取下平面镜，用己聚焦在无穷远的望远镜为标准，如果平行光管产生了平行光，射入望远镜后必聚焦在叉丝上。调节时先用光源把平行光管的狭缝照亮，将望远镜正对着平行光管，前后移动平行光管的狭缝，使望远镜看到狭缝的像与分划板中心垂线相重合、清晰。把狭缝转到水平位置，调节平行光管倾斜螺丝，使其像与分划板的中央水平刻线相重合，这时平行光管与望远镜共轴，狭缝被分划板的水平线平分，将狭缝转回垂直位置与分划板十字垂线重合，并适当调节缝宽，然后，调节螺丝固定狭缝。利用光栅测波长（1）将钠光灯（或荧光灯）置于平行光管狭缝前，接通电源，使它正常发光。（2）将光栅固定在分光计的载物台上，使平行光管射出的光垂直投射到光栅上。（3）旋转望远镜，使衍射中央亮纹与望远镜里竖直划分线重合。在刻度盘、游标A、B上读出望远镜所在位置0和0计入表91中。（4）将望远镜向左转动（注意：转动前，先旋紧螺丝和，使望远镜与刻度盘一起转动，而游标盘不动），可以见到一级像（k = 1），使其与望远镜里的十字垂线重合，在读数盘上读出望远镜位置左和左计入表91中。如果光源使用荧光灯，则一级像为一组谱线，测波长时可选择其中一条谱线进行测量。（5）将望远镜向右移动，与步骤4相同，可读出右和右，计入表91中。（6）用上述方法，观察二级（n =2）像。观察明线光谱、连续光谱和吸收光谱（1）观察明线光谱。将光谱管置于平行光管狭缝前，接通感应圈电路，使光谱管发光，转动望远镜到适当位置，观察明线光谱。（2）观察连续光谱。将白炽光光源置于平行光管的狭缝前，转动望远镜，观察并画出连续光谱。（3）观察吸收光谱。将血桨稀释后盛入试管中。然后将其置入平行光管的狭缝和白炽光光源之间，在望远镜中观察并画出血红素吸收光谱。用同样的方法观察并画出高猛酸钾溶液的吸收光谱。六、注意事项1调整分光计十分费事费时，如事先已经将它调好，实验时不要随便移动，以免重新调节浪费时间，影响实验的进行。2勿用手触及分光计各光学器件表面。实验室用的光栅是由明胶印刷而成的复制光栅，所以在衍射光栅玻璃片的中央部位，不能用手摸或纸擦。3分光计是精密的光学仪器，一定要小心使用，转动望远镜前，要先拧松固定它的螺丝；转动望远镜时，手把着它的支架转动，不能用手把着望远镜转。七、数据记录与处理表 91光源种类谱线波长0=光栅常数d =中央亮纹游标A位置0=游标B位置0=一级谱线左转游