光谱法测量透明介质的吸收曲线报告

1、大学实验报告近代物理实验成绩：班级： 材料物理 11-1 班 同组者：教师：光谱法测量透明介质的吸收曲线【实验目的】1、了解光栅光谱仪的构造原理及其使用方法。2、加深对介质光谱特性的了解。3、掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。【实验原理】当一穿过一定厚度的透明介质平板时，有一部分光被发射，另有一部分光被介质吸收，剩下的光从介质平板透射出来。设有一束波长为 、入射光强为I0 的单色平行光垂射到一块厚度为 d 的透明介质平板上，如图 1，如果从界面 1 反射的光强为IR，从界面 1向介质透射光的光强为I1，在界面2 处的入射光强为I2 ，从界面 2 射出的透射光的光强为 IT ，则定义

2、介质板的光谱外透射率 T 和介质的光谱透射率 Ti 分别为：图 1IIT = T （3-2-1）T = 2 （3-2-2）iII01介质对光的反射、透射和吸收不但与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。依据-比耳定律，均匀介质内部光谱透射率 Ti 与介质厚度 d 有关系式= e-adTi（3-2-3） 称为介质的吸收系数。吸收系数不仅与介质的材料有关，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。介质的光谱透射率 Ti 和吸收系数 是通过测试由同一材料成的（ 相同），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d1 和

3、d2，d2d1，光谱外透射分别为T1 和T2，则有：e-ad2 (1- R2e-2ad1 )T =2e-ad1 (1- R2e-2ad2 )T（3-2-4）1一般R 和 都很小，故上式可近似为T2 T1= e-a (d2 -d1 )(3-2-5)a = ln T1 - ln T2则介质吸收系数 满足d2 - d1(3-2-6)实验中的WGD8A 型光栅光谱仪的光电倍增管输出的光电流与入射光的光强成正比，因而利用光电流的输出值，就可由下式计算光谱透射率和吸收系数i2i= ln i1 - ln i2 T=aid - d(3-2-7)(3-2-8)121式中 i1 和 i2 分别表示试样厚度为 dl

4、 和 d2 时光电流的大小。【实验装置】WGD-8A 型组合式光栅光谱仪， 灯及 灯电源；溴钨灯及溴钨灯电源；谱钕片（厚度分别为 1 和 2 ）【实验内容】1. 光谱仪的调节和波长示值的修正（1） 调整光谱仪的底脚螺钉，以保证光谱仪水平放置。（2） 以 灯作为光源，校对光谱仪波长示值的准确度，并做修正。3校正时，首先调整狭缝 S1 和 S2 宽度（12 ），然后点燃 灯，打开光谱仪电源，调整光电倍增管工作电压约 500V 左右，启动 WGD-8A 光谱仪的软件，测量灯的能量谱。如果能量谱高度超出显示范围或太小，可适当改变狭缝宽度，以及工作电压，使能量谱显示适中。将计算机给的 的 4 条谱线的标

5、称值与标准波长值对比，进行合理修正。2、观察和测量谱钕的典型吸收峰（300660 nm）关闭 灯，换溴钨灯，并将待测的较薄的一片谱钕放入样品室内，保持原宽度不变，测量透射能量谱，根据实际曲线调节工作电压，是所测信号具有适当强度。调整结束后，重新扫描一次，观察各吸收峰，其波长和能量。3、测量谱钕在 500660 之间的吸收曲线分别测量 1 和 2 的谱钕据（3-2-7）式和（3-2-8）式做出谱钕片在 500660 之间透射能量谱 I1）和 I2（），在 500660 nm 之间的吸收曲线。4、测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线用提供的三块谱钕组织五个厚度，选择某个吸收峰，测绘吸光度 A 与介质

6、厚度 d的关系曲线，并用最小二乘法求取对应于该波长的介质吸收系数（）。A = ln I0 =2.303d（3-2-9）Ik式中 I0 为对应所选吸收峰处的入射光强；Ik 为增加不同厚度谱钕光强可用光电流的大小表示。【注意事项】1.光谱仪属于贵重仪器，必须按照说明书进行操作。片时获得的透射光强。2.狭缝的调节必须，狭缝的宽度不得超过 3mm，也不得完全闭合,以免损坏刀口。实验完毕后，缝宽调节到 0.2mm 左右。3. 在测量吸收曲线或吸光度介质厚度关系曲线时，要保证仪器各参数（如狭缝宽度、光电倍增管工作电压等）不变。4. 光栅对环境条件要求较高，应保持室内清洁和较低的湿度。【数据及处理】1、 光

7、谱仪的调节和波长示值的修正用 WGD-8A 型组合式光栅光谱仪测量 灯的能量谱，数据见表 1： 表 1的能量谱的吸收峰标称值缝宽 S1 为 1.81 ；S21.67 测量范围：400600nm工作电压：490v片， 灯透过狭缝测量其能量谱得到 6实验现象、结果分析：实验放入任何个峰峰值，其中前两个峰峰值与后两个峰峰值紧紧靠近，所得到的标称值与书上给出的标准波长值（432.8nm，546.1nm，577.0nm，579.1nm）对比可发现，后四个峰峰值与标准值近波长值402.08nm405.78nm433.60nm545.54nm577.58nm579.48nm峰峰值966.3e214.9e99

8、6.3e996.3e355.1e354.3e乎相等，相对误差最小仅在小数位数，最大误差不超过 1nm，故未进行修正。2、 观察和测量谱钕的典型吸收峰（300660nm）狭缝宽度不变，工作电压增至 600V，用溴钨灯换下 灯进行谱钕典型吸收峰测量，所得数据见表 2：300660nm表 2谱钕典型吸收峰测量数据实验结果现象分析：溴钨灯换下 灯后，对 1 的谱钕的透射能量谱进行了测量分析，期间需对工作电压进行适当的修正，保证图像大小位置适中，修正后电压约为 600V。3、 谱钕在 500660nm 之间吸收曲线的测量选取1 与2 厚度的谱钕分别对其在500660nm 之间透射能量谱进量，根据（3-2

9、-8）式对数据进行处理，得出吸收系数，做出吸收曲线。数据如下表 3：表 3 谱钕在 500660nm 之间吸收曲线测量数据根据表中数据，用式（3-2-8）处理数据，得出固定波长值下的吸收系数值，仅以 500nm 波= ln i1 - ln i2 ad 2 - d1长处的数据为例，以式处理，1 = ln 457.1ln 382.9 = 0.1771221值并将数值列入下表 4，如依照此例，依次求得不同波长值所对应的吸收系数下：表 4谱钕吸收曲线测量数据依据表中数据，以波长值为横坐标，吸收系数为纵坐标，得出吸收曲线图像,如下图 1：波长值500nm510nm520nm530nm540nm550nm

10、560nm570nm吸收系数0.177120.382460.380160.777920.279040.103250.132540.83754波长值580nm590nm600nm610nm620nm630nm640nm650nm吸收系数1.600851.301610.857560.333470.089870.109130.085900.079351 厚度波长值500nm510nm520nm530nm540nm550nm560nm570nm能量值457.1e398.5e400.0e289.1e449.3e519.9e676.7e261.8e波长值580nm590nm600nm610nm620nm6

11、30nm640nm650nm能量值116.0e86.0e257.9e398.5e468.9e448.8e433.7e410.3e2 厚度波长值500nm510nm520nm530nm540nm550nm560nm570nm能量值382.9e271.8e273.5e132.8e339.9e468.9e592.7e113.3e波长值580nm590nm600nm610nm620nm630nm640nm650nm能量值23.4e23.4e109.4e285.5e428.6e402.4e398.0e379.0e波长值492.84nm520.68nm560.30nm582.00nm619.52nm峰峰值

12、465.2e398.0e718.9e125.0e461.3e图 1： 谱钕吸收曲线图实验结果分析：由图 1 可知，在一定的波长范围内，吸收系数会出现不同的极大值，这充分表明介质对光的吸收不仅与介质自身的性质密切有关，而且与入射光波的波长也有密切，从而验证了定律。4、 吸光度与介质厚度之间的关系曲线此项目我们分别采用 1 ，2 ，3 ，4 ，5 五个厚度，选择=600nm 时的吸收峰进行吸光度A 的相关测量，已知𝐼0为 693.25532,得下表 5：表 5吸光度与介质厚度曲线关系测量数据依据（3-2-9）式，可求得对应厚度 d 下相应的吸光度𝐴𝐼

13、,现以 1 厚度为范例进行计算有：𝐴1 = ln 𝐼0 = ln 693.25532 = 0.581424478 = 0.5814𝐼𝑖387.6依照此例依次计算不同厚度值下的吸光度A 有下表数据：表 6 厚度值与吸光度对应数据表依据此数据表，以厚度值为纵坐标，以吸光度 A 为横坐标，得其关系曲线如下图 2:图 2 介质吸光度与厚度之间的关系曲线图厚度 d1 2 3 4 5 吸光度 A0.58141.09291.36411.53541.8714厚度 d1 2 3 4 5 透射光强 I387.6232.4177.2149.3106.7

14、由图像可知，得到的关系曲线拟合后为斜率为 0.3023 的直线，依据A = ln I0 =2.303d，Ik可知 2.303=0.3023，所以有吸收系数为 0.1313，较之前面测得的吸收系数，该吸收系数数值有明显的减少，误差可能是操作过程不当导致环境因素过大，也可能是样品表面不干净， 导致透光收到大大的影响。【思考题】1、光谱仪波长示值的修正为什么要用 灯？测量吸收曲线为什么要用溴钨灯？答： 灯的光强较强，抗杂光能力较强，光谱较宽。并且 灯具有确定的吸收峰峰值，利于作为标准比较对象，进行试验仪器的修正等工作。而溴钨灯的光强比较柔和，在 500-660nm 之间能量变化的较为缓慢。适合进行试

15、验所需的小范围测量。2、试讨论狭缝的宽度对测量的影响。答：狭缝是光进入仪器内部的一道关卡，当狭缝较宽时进入的光就比较多，这样所测到的透射光就多，得到的能量谱的能量就会普遍增大，甚至超过所测范围，当狭缝宽度过大时还可能引起仪器的损毁。而过小的狭缝宽度会导致入射进的光强过小而几乎测不到数值，所以适当的狭缝宽度也是实验顺利完成的重要因【实验总结】一。本实验的目的在用光谱法测量透明介质的吸收曲线，重在理解替代测量思想，以及对于光栅光谱仪的熟练使用能力。实验中，通过放置不同厚度的镨钕吸收峰，以及吸光度与介质厚度之间的关系曲线。测量其能量谱、实验过程中，一定要有等待的耐心，并提前对于软件系统的使用做好预习，我们需要设置好扫描间隔，调好实验仪器，调节适当的工作电压