物理实验之光栅光谱仪的使用.pdf

近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 光栅光谱仪的使用 王涵 冯飞伍 王涵 冯飞伍 北京邮电大学 理学院 06203 班 摘要 在本实验中 我们使用 Na 灯校准了光谱仪 采校准的光谱仪对氢 氘原子 Hg 灯的光谱进行了 测量 并测定钨灯照射下黄色滤色片的透过率 绘制氢 氘原子 Hg灯光谱及滤色片的透过率曲 线 给出主要谱线波长及相对强度 与理论值进行比较 关键词 光谱图 透过率曲线 Abstract During the experiment we use sodium lamp to calibrate the spectrometer and measure the spectrum of deuterium atom and mercury lamps with the calibrated spectrometer We also determine the transmission of the yellow filter According to the data we acquired in the laboratory we picture the spectrum chart of these sources and the transmittance curve compare with theoretical value correspondingly The major wavelength and the intensity of each source are also given in this experiment Keywords spectrum chart transmittance curve 1 引言 光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段 现 有关于原子结构的知识 大部分来自对各种原子光谱 的研究 通过光谱研究 可以得到所有研究物质中含 元素的组分和原子内部的能级结构及相互作用等方面 的信息 在光谱分析中 用于分光的光谱仪器和检测 光的光探测器对分析结构有决定性作用 2 光栅光谱仪 多功能光栅光谱仪 单色仪 是一个光谱分析研究 的通用设备 可以研究诸如氢氘光谱 钠光谱等元素 光谱 使用元素灯作为光源 本实验中使用的就是 WDS 8型光栅光谱仪 光栅光谱仪结构如图1 所示 光栅光谱仪的色散 元件为闪耀光栅 图1 光栅光谱仪的内部结构 图1 光栅光谱仪的内部结构 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 2 光栅由步进电机驱动 由计算机软件驱动 可以 获得较高的精度 两个球面镜分别将入射光射向光栅 并接受由光栅出射的光线 其对角度的控制是由光栅 的位置决定的 出射光线最后被光电倍增管接收 转 化为相应的信号并有计算机识别 而光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测 器 它由光阴极 电子光学输入系统 倍增系统及阳 极组成 并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器 在阴极 打拿极 又称 倍增极 阳极之间建立 一个电位分布 光辐射照射到阴极时 由于光电效应 阴极发射电子 把微弱的光输入转换成光电子 这些 光电子受到各电极间电场的加速和聚焦 光电子在电 子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极 产生 二次电子 由于二次发射系数大于1 电子数得到倍 增 以后 电子再经倍增系统逐级倍增 阳极收集倍 增后的电子流并输出光电流信号 在负载电阻上以电 压信号的形式输出 其原理如图2所示 K 光阴极 F 聚焦极 D1 D10 打拿极 A 阳极 图2 光电倍增管的工作原理 图2 光电倍增管的工作原理 3 光辐射和特征谱线的形成 光辐射分为平衡辐射 又称热辐射 和非平衡辐 射 又称发光 两大类 1 热辐射 任何物质 一定温度下都在吸收外来辐射的电磁 波 也在向外辐射电磁波 平衡时 吸收的能量和辐 射的能量相等 这种辐射称为热辐射 对于黑体 入射到表面的全部能量被无反射吸收 同时将等量的能量辐射出去 黑体的单色辐出度 0 MT 即单位时间 单位面积辐射的单位波长范 围的电磁波能量满足黑体辐射公式 实际物体都不是黑体 非黑体辐射单色辐出度 为 0 MTT MT 3 1 T 称为物体的单色吸收比 是一个小于 1 的系数 不同波长电磁波的黑体辐射强度不一样 强度最 大的波长用 m 表示 根据维恩 Wien 位移定律 m Tb 3 2 其中常量 3 2 897756 10bm T 温度越低 最大辐射波长就越长 在室温 物体热辐射主要在红 外波段 当物体温度达到800K 以上 开始出现暗红 色的可见光 更高的温度可辐射白光 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 3 白炽灯及实验室常作为光源使用的卤钨灯就是 利用钨丝加热后的热辐射工作的 2450K 黑体辐射与 钨丝辐射的能量分布曲线见图3 图3 2450K 辐射 图3 2450K 辐射 2 发光 处于激发态上的电子处于非平衡态 它向低能级 跃迁时就会发光 设电子跃迁前后能量分别为 1 E和 0 E 发射光子能量为 10 hc hEEE 3 3 电子受光辐射激发到高能态上导致的发光称为 光致发光 光致发光时 电子在不同能级间跃迁常见 如下几种情况 1 电子受光辐射激发 然后以无辐射情况跃 迁到低能级 无发射跃迁释放的能量转化成热能或 其它形式 从现象看 物质净吸收了一个对应波长为 hc E 的光子 其原理如图4所示 图4 无辐射跃迁 图4 无辐射跃迁 2 电子吸收一个光子跃迁到激发态 再辐射一 个同能量的光子回到初态 在初态和激发态之间可能 存在着中间能级 激发态的电子先无发射跃迁到中间 态 再辐射光子跃迁到初始态 从现象看 物质吸收 了一个高能量的光子 辐射一个低能量的光子 或者 说 短波长的光辐射激发物质发出较长波长的光 其 原理如图5 图6所示 图5 辐射跃迁 图6 经中间态的辐射跃迁 图5 辐射跃迁 图6 经中间态的辐射跃迁 因为原子具有分立的能级 原子光谱是线状的不 连续谱 原子在固体和液体中的情况比较复杂 因为 固体和液体中原子间距很小 原子间的相互作用较强 导致能量状态变化 固体和液体物质的光谱可能是线 状谱 也可能是连续谱 在本实验中 我们就对钨灯的连续普 氢氘灯和 汞灯的分立谱进行了测量 4 光谱仪的校准 为了更加准确的通过光谱仪进行测量 我们必须 对光谱仪进行校准 在实验中 我们采用钠光源进行 校准 我们知道 由于电子的自旋磁矩和轨道磁矩的 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 4 相互作用 钠光源有双线结构 分别是589 592nm和 588 995nm 这是实验得到的精准值 我们通过光谱仪 分析钠光源的光谱图 可以测得对应的双线波长 通 过比较就可以对光谱仪测量的坐标轴进行校准 在实验中我们调整光谱仪的狭缝调整至0 20mm 并调整扫描范围为550nm到600nm 以0 02nm为扫描间 隔 获得的那光源光谱图如图7所示 处理时取580nm 到598nm 可以得到 两个极大分别为589 06nm和 589 56nm 和标准值相差很小 因此不用进行坐标轴 平移 至此 光谱仪校验完毕 5 测量氢 氘原子的光谱图 光谱仪调校完毕后 更换光源为氢 氘灯 其他设 置不变 将扫描范围调整至350nm到660nm 扫描间 隔调整至0 02nm 可以测得氢 氘原子的光谱图如图 8所示 由于取点稠密 因此能其高频 小波长 的 几个峰不是很显著 但仍然可以辨认出 有五个峰值 其值列入表1 与理论值相对比 也列入表1 可以 看到 其误差都控制在0 50nm之内 可以认为测量是 准确的 同时 我们也可以观察到 低频 大波长 的谱线相对强度要大 而高频部分则相对较小 6 测量汞灯的光谱图 氢氘光谱测量完毕后 更换光源为汞灯 其他设 置不变 将扫描范围调整至300nm到660nm 扫描间 保持0 02nm 可以测得汞原子的光谱图如图9所示 可以辨认出 有八个峰值 其值列入表2 与理论值 相对比 可以看到 其误差都控制在0 50nm之内 可 以认为测量是准确的 同时 其相对强度变化趋势没 有氢氘灯那么明显 但其相对强度仍然存在变化 表 2 汞灯的光谱线 表 2 汞灯的光谱线 颜色 颜色 蓝紫 蓝紫 蓝紫 蓝紫 蓝 绿 黄 黄 理论波长 nm 理论波长 nm 365 0 366 3 404 66 407 78 435 83 546 07 576 96 579 07 测得波长 nm 测得波长 nm 364 54 365 80 404 40 407 32 435 66 546 08 576 98 579 20 相对强度 相对强度 437 1 138 9 670 3 105 7 787 1 600 5 98 4 98 7 7 测量滤色片的透过率曲线 汞光谱测量完毕后 更换光源为钨灯 并添加透 明滤色片 其他设置不变 将扫描范围调整至300nm 到660nm 扫描间保持0 02nm 可以测得钨原子的光 谱图如图10所示 可以看到 钨灯的光谱为连续谱 为单峰型曲线 其极大值出现在525nm附近 测量完 成后 加入黄色滤色片 测得其透射率 并也在图10 中绘出 可以观察得到 在高频部分透过率由100 逐 表 1 氢 氘灯的光谱线 表 1 氢 氘灯的光谱线 颜色 颜色 蓝紫 蓝紫 蓝 绿蓝 红 理论波长 nm 理论波长 nm 397 01 410 17 434 05 486 13 656 28 测得波长 nm 测得波长 nm 396 58 409 74 433 88 486 06 656 52 相对强度 相对强度 40 3 41 3 65 9 167 248 8 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 5 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 6 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 7 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 8 近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院 06203 班 王涵 冯飞伍 9 渐衰减 在中频部分 大约衰减到了10 之后又上 升 到低频部分 则逐渐稳定到了80 而对应的部分 也是黄色部分 也即其对应的颜色黄色 8 实验总结 在本实验中 我们采用Na灯校准了光谱仪 并用 校准的光谱仪对氢 氘原子 Hg 灯的光谱进行了测量 并测