物理实验 光谱测量与光谱分析

1、121.了解光栅光谱仪的工作原理；了解光栅光谱仪的工作原理；2.掌握利用光栅光谱仪进行测量的基本技术。掌握利用光栅光谱仪进行测量的基本技术。3u 特征光谱：特征光谱：每一种元素在发光或吸光时都有其各自所特有每一种元素在发光或吸光时都有其各自所特有的光谱线的光谱线特征谱线。所以，光谱是人们认识了解物质成特征谱线。所以，光谱是人们认识了解物质成份的重要手段，在已知的元素中有近份的重要手段，在已知的元素中有近1/51/5都是通过光谱分都是通过光谱分析来发现的。析来发现的。u 光谱仪：光谱仪：用于进行光谱测量和物质光谱分析的装置。其主用于进行光谱测量和物质光谱分析的装置。其主要作用：要作用：1.1.分

2、解和分析光谱；分解和分析光谱；2.2.测定波长与能量的对应关测定波长与能量的对应关系，绘制光谱图。系，绘制光谱图。u 光栅作用：光栅作用：光栅具有分光色散作用（同级光谱中不同的波光栅具有分光色散作用（同级光谱中不同的波长对应不同的衍射角），通过光栅可以把光谱中的不同波长对应不同的衍射角），通过光栅可以把光谱中的不同波长分解开来。所以它是光栅光谱仪的核心组成部分。长分解开来。所以它是光栅光谱仪的核心组成部分。光谱分析与光谱仪光谱分析与光谱仪421chhEEE 如图所示，处于能级如图所示，处于能级E1的原子吸收能量跃迁到高能态的原子吸收能量跃迁到高能态E2时时,将向下跃迁并发出相应能级差的光子：将

3、向下跃迁并发出相应能级差的光子：原子发光原子发光2E1EhEc所以，测出元素的某一波长，根据其对应的所以，测出元素的某一波长，根据其对应的能级差就可以算出普朗克常数能级差就可以算出普朗克常数h.透射率透射率光通过任何物质时都会被不同程度地吸收。定义单色光透光通过任何物质时都会被不同程度地吸收。定义单色光透过一定厚度的物质时的百分透射率为：过一定厚度的物质时的百分透射率为：0100%ITI其中其中I0 和和I分别是光从该物质的入射和出射光强。分别是光从该物质的入射和出射光强。5光栅光谱仪（单色仪）分光原理光栅光谱仪（单色仪）分光原理由狭缝由狭缝S1入射的复色光，经入射的复色光，经M2变成复色平行

4、光照射到光栅变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色上，经光栅色散后，不同波长的平行光束以不同的衍射角出射。通过旋转光栅散后，不同波长的平行光束以不同的衍射角出射。通过旋转光栅G改变角改变角度，就可使某一波长的光经度，就可使某一波长的光经M3聚焦在出射狭缝聚焦在出射狭缝S2或或S3上，再由上，再由S2后面的电后面的电光探测器记录该波的波长、光强度等信息，并将数据输入电脑处理。通过光探测器记录该波的波长、光强度等信息，并将数据输入电脑处理。通过S3则可直接观察光谱线。则可直接观察光谱线。计算机计算机光栅光栅物镜物镜入射光入射光旋转镜旋转镜光电光电倍增管倍增管1S1M2M3MGCCD2S3S入射光入

5、射光2衍射光衍射光转台转台光栅光栅通过旋转光栅实现对波长扫描通过旋转光栅实现对波长扫描.出射波长与光栅旋转角度出射波长与光栅旋转角度 之间之间的关系为：的关系为：2cossindk式中，式中，d 和和k 分别是光栅常数和衍射级次。分别是光栅常数和衍射级次。对同一单色仪，对同一单色仪， 为确定值。为确定值。6p WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪型组合式多功能光栅光谱仪 p 计算机计算机 p 汞灯、溴钨灯、滤光片汞灯、溴钨灯、滤光片 71. 测量汞灯光谱，根据测得波长计算普朗克常测量汞灯光谱，根据测得波长计算普朗克常数。数。2. 以溴钨灯为光源，扫描绿色滤光片的透射率以溴钨灯为光源，扫描绿色滤光

6、片的透射率曲线，并测算透射率曲线能量半峰值对应的曲线，并测算透射率曲线能量半峰值对应的光谱宽度。光谱宽度。89光入射狭缝光入射狭缝光电倍增管光电倍增管光谱仪电源光谱仪电源注意：注意：请不要动这三颗狭缝螺丝，已调好。请不要动这三颗狭缝螺丝，已调好。溴钨灯溴钨灯溴钨灯电源溴钨灯电源汞灯汞灯汞灯电源汞灯电源光谱仪光谱仪光栅光谱仪及待测光源光栅光谱仪及待测光源10滤光片插入口滤光片插入口光入射狭缝光入射狭缝滤光片插入口滤光片插入口11电压调至电压调至500V一、一、打开光谱仪和汞灯电源，光谱仪负高压调至打开光谱仪和汞灯电源，光谱仪负高压调至500V；二、二、开电脑，打开开电脑，打开WGD-3光谱仪软件

7、；光谱仪软件；汞灯放置于此汞灯放置于此测量汞灯光谱图步骤测量汞灯光谱图步骤汞灯预热几分钟汞灯预热几分钟12三、参数设置：三、参数设置：模式选模式选“能量能量”；间隔：；间隔：0.10.1nm；起始波长：起始波长：300300nm，终止波长：，终止波长：650650nm；寄存器；寄存器-1-1；其余默认；其余默认. .点击点击“单程单程”开始扫描开始扫描测量汞灯光谱图步骤测量汞灯光谱图步骤u按箭头指按箭头指示设置参数示设置参数四、四、点击点击“单程按钮单程按钮”开始单程扫描；开始单程扫描；13测量汞灯光谱图测量汞灯光谱图汞灯光谱扫描结果汞灯光谱扫描结果14测量汞灯光谱图测量汞灯光谱图五、五、修正

8、波长修正波长自动寻峰按钮自动寻峰按钮点左下工具栏点左下工具栏“自动寻峰自动寻峰”按钮，在弹出按钮，在弹出的对话框中点的对话框中点“检峰检峰/ /谷谷”开开始自动寻峰。始自动寻峰。15测量汞灯光谱图步骤测量汞灯光谱图步骤寻峰结果寻峰结果u将间隔最宽两峰中的左将间隔最宽两峰中的左峰波长值与对应参考波长峰波长值与对应参考波长值值（435.8nm）比较。比较。u算出测量值与参考值的算出测量值与参考值的差，以此进行修正。差，以此进行修正。参考峰值波长参考峰值波长: :1404.7nm2435.8nm3546.1nm4577.0nm5579.1nm16测量汞灯光谱图步骤测量汞灯光谱图步骤波长修正波长修正点

9、点“波长修正波长修正”输入修正值输入修正值注：注：波长的波长的最大修正量最大修正量为为50nm.50nm.17测量汞灯光谱图步骤测量汞灯光谱图步骤六、六、波长修正完成后，重新寻峰，并记录各条谱线的波长值波长修正完成后，重新寻峰，并记录各条谱线的波长值.参考峰波长值参考峰波长值: :1404.7nm2435.8nm3546.1nm4577.0nm5579.1nm18汞谱线标准波长及汞谱线标准波长及其对应的能级跃迁其对应的能级跃迁: :21(nm) (eV)404.7 7.734.67435.8 7.734.89546.1 7.735.46577.0 8.846.70579.1 8.856.70E

10、EhEc修正后的测量波长修正后的测量波长u 将测量的各个波长值和对应的理论能级差代入该公式计算将测量的各个波长值和对应的理论能级差代入该公式计算普朗克常数普朗克常数h，求平均。与标准值比较，计算相对误差。，求平均。与标准值比较，计算相对误差。346.63 10(J s)h普朗克常数标准值普朗克常数标准值七、七、计算普朗克常数计算普朗克常数19一、一、点亮溴钨灯并放置于入射缝前；电压调至点亮溴钨灯并放置于入射缝前；电压调至300V.测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率溴钨灯溴钨灯溴钨灯电源溴钨灯电源调至调至300V溴钨灯预热几分钟溴钨灯预热几分钟20二、扫描基线：二、扫描基线：模

11、式选模式选“基线基线”；间隔：；间隔：0.10.1nm；起始波长：起始波长：200200nm，终止波长：，终止波长：800800nm；寄存器；寄存器-2-2；其余默认；其余默认. .点击点击“单程单程”开始扫描开始扫描u按箭头指按箭头指示设置参数示设置参数点击点击“单程单程”开始基线单程扫描；开始基线单程扫描；测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率21基线扫描结果基线扫描结果溴钨灯光谱（基线）溴钨灯光谱（基线）测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率22测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率三、扫描三、扫描绿色滤光片的光谱透射率绿色滤光片的光谱透射率：1

12、.1.从狭缝侧面处插入绿色滤光片；从狭缝侧面处插入绿色滤光片；2.2.模式选模式选“透过率透过率”；寄存器；寄存器-3-3；其余参数不能改变！其余参数不能改变！3.3.点击点击“单程单程”开始扫描。开始扫描。u改变箭头指示改变箭头指示两个参数，其余两个参数，其余的必须与基线扫的必须与基线扫描时相同，不能描时相同，不能改变。改变。插入滤光片插入滤光片23滤光片透过率扫描结果滤光片透过率扫描结果基线基线测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率滤光片透过率滤光片透过率24四、四、寻峰，记录峰值处的波长和能量值。寻峰，记录峰值处的波长和能量值。测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱

13、透射率能量半峰值能量半峰值25.8525.8525五、五、测量能量半峰值处对应的光谱宽度。测量能量半峰值处对应的光谱宽度。测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率点点“读取谱线数据读取谱线数据”按钮，然后用鼠标在曲线按钮，然后用鼠标在曲线上寻找能量半峰值的点，记录其对应波长上寻找能量半峰值的点，记录其对应波长 1。读取谱线数据按钮读取谱线数据按钮左侧能量半峰值点左侧能量半峰值点记录此数据记录此数据能量半峰值能量半峰值25.8525.8526五、五、测量能量半峰值对应的光谱宽度。测量能量半峰值对应的光谱宽度。测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率继续寻找另一侧的能量半峰继续寻找另一侧的能量半峰值的点，记录其对应波长值的点，记录其对应波长 2。右侧能量半峰值点右侧能量半峰值点记录此数据记录此数据能量半峰值能量半峰值25.8525.8527六、六、计算能量半峰值对应的光谱宽度。计算能量半峰值对应的光谱宽度。测量绿色滤光片的光谱透射率测量绿色滤光片的光谱透射率能量半峰值所对应的光谱宽