用单色仪测定介质的吸收曲线

1、用单色仪测定介质的吸收曲线一、 实验目的1、 了解单色仪的构造原理并掌握其使用；2、 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；3、 初步了解光电池的工作原理及其应用。二、 实验原理当一束光入射到有一定厚度的介质平板上时，有一部分被反射，另有一部分光被介质吸收，剩下的光以介质板透射出来。设有一束波长为，入射光强为I0的单色平行光垂直入射到一块厚度为d的介质平板上，如图1所示。若从界面1射回的反射光的光强为IR，从界面1向介质内透射的光的光强为I1，入射到界面2的光的光强为I2，从界面2出射的透射光的光强为IT，则定义介质板的光谱外透射率T和介质的光谱透射率Ti分别

2、为：T=ITI0Ti=I2I1这里，IR，I1，I2，IT都应该是光在界面1和2上以及介质中多次反、透射的总效果。通常，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。这里为简单起见，对以上及以后的各个与波长有关的量都省略波长标记，但都应理解为广谱量。光谱透射率Ti与波长的关系曲线称为透射曲线。在介质内部（假定内部无散射），光谱透射率Ti与介质厚度d有如下关系：Ti=e-d式中，称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。它不仅与介质有关，而且与入射光的波长有关。吸收系数与波长的关系曲线称为吸收曲线。设光在单一界面上的反射率为R，则透射光的光强为IT=IT1+IT2+IT3+

3、IT4+.=I0(1-R)2e-ad+I0(1-R)2R2e-3d+I0(1-R)2R4e-5d+I0(1-R)2R6e-7d+.=I0(1-R)2e-ad(1+R2e-2d+R4e-4d+R6e-6d+.)=I0(1-R)2e-d1-R2e-2d式中，IT1，IT2分别表示光从界面2第一次透射，第二次透射的光的光强。所以T=ITI0=(1-R)2e-d1-R2e-2d通常，介质的光谱透射率和吸收系数是通过测量由同一材料（相同）加工成的、表面性质相同（R相同）但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得出的。设两块试样的厚度分别为和，光谱外透射率分别为T1和T2，则T2T1=e-d2(1-R2e

4、-2d1)e-d1(1-R2e-2d2)又一般R和都很小，故上式可近似为T2T1=e-（d2-d1）所以=lnT1-lnT2d2-d1综合以上Ti=T2T1本实验中采用光电池和微电流放大器测量光强。合适条件下，光电池输出的光电流与照射到它表面的光的光强成正比。光电流经由微电流放大器后由数字表直接显示其数值，从而计算光谱透射率和吸收系数，即Ti=n2n1=lnn1-lnn2d2-d1其中，n1和n2分别表示式样厚度为d1和d2时微电流放大器上数字表的示值。三、 实验装置图2是实验装置示意图。本实验中使用单色仪为WDM1型光栅单色仪。它的光学系统由三部分组成：入射狭缝S1和准直球面反射镜M1构成入

5、射准直系统，以产生平行光束；反射光栅G为色散元件，以产生各种波长的单色光；聚焦球面反射镜M2、平面反射镜M3及出射狭缝S2构成出射聚光系统，将光栅分出的单色光汇聚在出射狭缝S2上。图中汞灯P用于单色仪的校准。溴钨灯F用于测量，溴钨灯的工作电流有恒流源控制。自制的微电流放大器由高精度运放与数字显示组成。会聚透镜L将光源F发出的白光会聚到入射狭缝S1上，然后投射到M1上。由于S1处在M1的焦平面上，因此M1的反射光成为平行光。此平行光经光栅G衍射后分成一系列衍射方向不同的各种波长的单色平行光。由于光栅装置是与单色仪的传动机构相连的，因此当转动调节手轮K时，可使光栅旋转，让不同波长的单色平行光相继投

6、射到聚焦球面反射镜M2上，并经平面镜M3反射后成像于出射狭缝S2上。如果S2宽窄合适，不同波长的单色光就相继从S2射出。波长值可从单色仪的波长读数装置上读出。本实验实际操作过程中，样品插放在入射狭缝前，由2块并排摆放的宽为4mm，厚度为0.8mm、2.8mm的钕玻璃组成。四、 实验任务及注意事项（一）单色仪的调节和波长示值的校准1利用汞灯作为光源校准单色仪的波长示值1）波长读数装置转到577.0nm-579.1nm之间，汞灯放入射狭缝前，S1、S2宽度调至2mm；2）迎光观察S2上汞的黄色谱线，用显微镜对准出射狭缝，关小入射狭缝使两谱线分开至较细即可；3）关小出射狭缝，同时微动手轮，是一条谱线

7、在缝中间，使狭缝与谱线同宽，读单色仪示值；4） 转手轮K读下一条谱线；5） 检查测量值与标准值（435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）之差，即仪器系统偏差（要求0.2nm）。2调节狭缝宽度1） 按步骤1中1）重新调节狭缝宽度2） 迎光观察S2上汞的两条黄色谱线，用显微镜对准出射狭缝，调节入射狭缝S1使两谱线刚好分开，此时入射狭缝宽约0.8mm3）调出射狭缝S2，转手轮K，使出缝宽度与谱线宽度相同，此时S1、S2同宽，约0.8mm3调节溴钨灯光如图3，将光源聚焦成像在狭缝前。聚光镜通过光孔径d=30mm，焦距f=60mm，单色仪球面镜（准直镜）的光阑宽度D=50mm。成

8、像规律遵守高斯公式。此外为使球面镜孔径D充分照明，应使dD=ab。（二）测量钕玻璃在610.0nm-550.0nm范围内的吸收曲线 用溴钨灯作光源并进行共轴调节，使外光路光轴与单色仪光轴重合，避免光线斜入射造成光能损失。1 手轮K调到610.0nm，通过S2观察透镜像，移动透镜，使像位于缝中，缩透镜2 左右移动溴钨灯使像全亮。放样品架B，记录无样品及薄、厚样品在狭缝中间时的位置3 装探测器，打开微电流放大器，微动溴钨灯，使放大器示值最大4 调灯丝电流，使使放大器示值在1700-1900之间5 选定厚钕玻璃片，定性观察钕玻璃对不同波长的吸收情况，确定吸收峰大致波长位置。正式测量时，每隔1nm测一

9、次，吸收峰附近测量点应更密一些，每隔3A进行一次测量。测量范围610.0nm-550.0nm6 选择薄钕玻璃片，在与厚钕玻璃片波长相对应的位置测量7 根据两组数据，求钕玻璃的吸收系数曲线五、 数据处理以及误差分析1 单色仪的调节和波长示值的校准=_0.35_真值435.8546.1577.0579.1示值436.1546.5577.3579.5偏差0.30.40.30.42. 测量钕玻璃在610.0nm-550.0nm范围内的吸收曲线实验数据记录如下表：（修正前）（修正后）n1n2a610.00 610.35 1.50 1.33 39.15 608.00 608.35 1.49 1.35 32

10、.87 606.00 606.35 1.48 1.34 33.24 604.00 604.35 1.45 1.28 40.91 602.00 602.35 1.42 1.22 50.80 600.00 600.35 1.38 1.16 60.29 598.00 598.35 1.35 1.08 73.95 596.00 596.35 1.28 0.89 121.39 594.00 594.35 1.22 0.75 160.95 592.00 592.35 1.22 0.80 140.91 590.00 590.35 1.19 0.75 154.55 589.50 589.85 1.18 0.7

11、1 170.28 589.00 589.35 1.15 0.65 191.14 588.50 588.85 1.12 0.59 216.79 588.00 588.35 1.09 0.53 239.10 587.50 587.85 1.06 0.48 262.32 587.00 587.35 1.04 0.45 283.18 586.50 586.85 1.03 0.42 296.79 586.00 586.35 1.02 0.42 298.81 585.50 585.85 1.03 0.43 290.33 585.00 585.35 1.04 0.46 272.08 584.50 584.8

12、5 1.06 0.51 246.21 584.00 584.35 1.08 0.56 216.84 583.50 583.85 1.11 0.63 189.42 583.00 583.35 1.13 0.69 161.50 582.50 582.85 1.14 0.75 140.46 582.00 582.35 1.15 0.79 127.86 580.00 580.35 1.13 0.76 131.34 578.00 578.35 1.05 0.52 235.51 576.50 576.85 1.02 0.54 214.80 576.00 576.35 1.02 0.53 215.96 57

13、5.50 575.85 1.00 0.52 221.88 575.00 575.35 0.98 0.49 231.05 574.50 574.85 0.96 0.45 251.00 574.00 574.35 0.94 0.41 278.42 573.50 573.85 0.90 0.36 309.33 573.00 573.35 0.88 0.32 338.15 572.50 572.85 0.86 0.30 355.95 572.00 572.35 0.87 0.31 344.21 571.50 571.85 0.89 0.35 307.32 571.00 571.35 0.92 0.43

14、 256.95 570.50 570.85 0.96 0.53 202.22 570.00 570.35 1.01 0.63 157.93 569.50 569.85 1.04 0.73 116.56 569.00 569.35 1.06 0.82 86.11 568.50 568.85 1.08 0.88 67.20 568.00 568.35 1.09 0.93 51.03 566.00 566.35 1.09 1.01 26.68 564.00 564.35 1.08 1.02 18.38 562.00 562.35 1.06 1.02 14.42 560.00 560.35 1.04

15、1.01 12.69 558.00 558.35 1.03 0.99 12.59 556.00 556.35 1.00 0.97 10.80 554.00 554.35 0.98 0.95 10.35 552.00 552.35 0.96 0.93 10.57 550.00 550.35 0.94 0.91 10.41 根据以上数据，绘制钕玻璃的吸收曲线，得到下图。通过实验数据以及吸收曲线，我们可以比较明显地发现钕玻璃的两个吸收峰，分别是1 = 572.5nm, 1 = 298.81/m2 = 586.0nm, 2 = 355.95/m六、 思考题1、 校对单色仪的波长示值为什么要用汞灯？而测量吸收曲线为什么要用溴钨灯？答：校对单色仪波长示值时应当采用有确定辐射可见谱线的光源，汞灯在可见光谱内有确定的404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0579.0nm的可见谱线。因此使用汞灯可以帮助实验者确定单色仪的偏差。溴钨灯光效高、寿命长、光色更好，全谱范围内光谱连续且平滑，因此用于测量吸收曲线比较适合。2、 试讨论单色仪的入射狭缝和出射狭缝的宽度对出射光单色性的影响。答：入射狭缝的宽度越小则出射光的单色性越好，出射狭缝的宽度与出射光的单色性无关。3、 实际上，微电流放大器的显示值是钕玻璃片的光谱外投射率、光源的光谱能量分布和光电