复旦大学 物理实验(上) 单色仪的定标实验报告

单色仪的定标引言：单色仪广泛应用于生产生活中，其中光栅单色仪被广泛应用在科研、生产、质控等环节。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV-IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。然而，单色仪在使用一段时间后，会出现测量偏差，故要对单色仪进行定标。以保证其使用的准确性。实验目的与要求1.掌握调节光路准直的基本方法和技巧。2.掌握单色仪的工作原理和正确使用方法。实验原理：光栅单色仪实验采用WDG-300型光栅单色仪。它的结构如图2所示，光束从入射缝S1入射后照射到平面反射镜M1上，再经过凹面镜M2的反射变成平行光束照射到光栅G上，不同波长的光束经过光栅后按不同的衍射角散射，再经过凹面镜M3的会聚后通过出射缝出射，此时只有某一波长的光束能出射。光栅G通过传动杠和鼓轮相连，转动鼓轮，光栅G也会随之转动，从而能使不同波长的光束出射。实验内容1.光路调整■用水平仪调整单色仪水平。■调节光源的位置。将光源直接照射到入射缝上，调整光源使得从出射缝处能用肉眼观察到光源的像（可转动鼓轮改变像的颜色，选择柔和点的颜色如黄色），轻微调节光源的位置使光源的像位于凹面镜中央，此时光源在单色仪准直系统的光轴延长线上。■调节会聚透镜的位置。调整完毕后再放入会聚透镜，调节光源和会聚透镜的位置使光源准确成像在入射缝上，像的大小要略大于入射缝。这时，从出射缝看进去，凹面镜应该被均匀照亮（入射缝此时要开的小些），如左右不均匀，可适当调节会聚透镜的左右位置，直至单色仪中聚光镜被均匀照亮为止。2.确定入射缝和出射缝的实际零点■入射缝零点的确定。先将入射缝关闭（注意动作要缓慢，以免损坏光缝），并将鼓轮转至对眼睛最灵敏绿光所相应刻度处。逐渐打开入射缝，眼睛在出射缝出观察，当眼睛发现单色仪内有光的瞬间，立即停止放宽，记下入射缝上的刻度值，这就是入射缝的实际零点。■出射缝零点的确定。用会聚透镜将光源成像在入射缝上，在出射缝出放上读数显微镜，改变读数显微镜的位置，使得能看清出射缝刀口和出射谱线。固定显微镜位置，将出射缝关到最小后，再逐渐打开出射缝；当在显微镜中看到有光的瞬间，立即停止放宽出射缝，记下出射缝刻度值，即得出射缝的实际零点。3.制作TT∼λ曲线■用高压汞灯作光源，按上述实验内容1调整好光路后，用读数显微镜在出射缝出观察谱线。实验时，将入射缝开的窄些（以看到的谱线清晰细锐为准），出射缝适当开的大些（约1mm），在显微镜中可以同时看到几条谱线和出射缝的两边的刀口，根据谱线颜色，间距和强弱等特征，可辨认各条谱线。（实验室备有高压汞灯光谱图）。是读数显微镜准线对准出射缝中心，转动鼓轮（注意顺着一个方向转动，如从红到紫），依次使各光谱线中心对准显微镜的准线，记下鼓轮读数（TT）与对应的波长（λ）。（如用光栅单色仪，这里的鼓轮读数TT对应于其上给出的波长）。4.制作Δλ/Δs∼λ曲线■在可见光范围内，以两条接近的谱线，作为一组线对。比如两条紫色谱线404.66nm和407.70nm，两条蓝色谱线433.92nm和435.85nm,两条青色谱线491.61nm和496.03nm，两条黄色谱线576.96nm和579.07nm,两条橙色谱线607.27nm和612.34nm,两条红色谱线671.64nm和690.75nm。测量时可将出射缝开的大些，转动鼓轮使各线对依次出现在读数显微镜中，用读数显微镜测出线对间距Δs，即可制作Δλ/Δs∼λ曲线。实验数据记录：未加透镜时的像在出射口看汞灯的像，调节颜色至黄色，看见有两个圆角矩形边框，小的为汞灯边框的像，大的为凹面镜边框，调节光轴即移动汞灯直至汞灯像位于凹面镜中间。将像调至人眼较为容易辨认的黄色光测零点入射缝零点测得值为：-0.005mm出射缝零点测得值为：0.030mm测TT-λ曲线(1/4估读)颜色λ/nmTT强紫1404.66403.55强紫2407.70406.15弱紫410.01410.10弱蓝1433.92431.40弱蓝2434.75433.90强蓝435.85435.40中青1491.61489.20中青2496.03497.05弱绿1535.41528.50弱绿2536.51534.95强绿546.07544.85弱黄绿567.59565.20强黄1576.96575.40强黄2579.07579.00弱黄1585.92584.60弱黄2588.89586.60弱橙1607.27600.75弱橙2612.34610.80强橙623.45622.00弱红1671.64668.35中红690.75687.95弱红2708.19707.00斜率为0.9996≈1可见TT与λ近似为1:1关系不确定度：uTT=u测Δλ/Δs∼λ曲线颜色谱线λ/mmS1/mmS2/mmΔS/mmΔλ/nmΔλ/ΔS紫强1-强2406.183.1054.3151.212.542.099蓝强1-强2434.8853.2003.8950.6951.932.777青中1-中2493.823.0604.7451.6854.422.623黄强1-强2578.0153.2354.0400.8052.112.621橙弱1-弱2609.8053.0454.2052.165.072.347斜率k=3.73202*10-4近似等于零可知Δλ/ΔS与λ无关，切近似为定值。不确定度：u实验现象记录：改变入射缝宽度，宽度越宽，亮度愈大，光谱会稍微变粗，宽度越窄，亮度变小，光谱线稍微变细。改变出射缝宽度，宽度越宽，在光谱没有完全露出的情况下亮度变大，完全露出后亮度不变，反之变小，光谱宽度几乎不变。实验结果分析：TT~λ曲线的斜率Δλ/ΔTT符合关系：在Δθ较小时，G是杠杆长度，f是物镜焦距。所以，ΔS/ΔTT为定值，又由于实验测得Δλ/ΔTT为定值，故可知Δλ/ΔS为定值，与λ无关。思考题：1、测量入射缝和出射缝的零点时应注意什么问题？答：聚焦光要略大于入射缝，且要中心与入射缝中心重合。2、单色仪定标时，入射缝宽和出射缝宽应如何选取？答：入射缝要小一些，这样可以使成像更加细小可查，出射缝要宽，这样可以看清谱线分布，也方便用读数显微镜测出谱线对间距Δs。3、会聚透镜尺寸和焦距有何要求？答：最佳狭缝宽度为：an=0.86λ/fD。其中f为抛物镜的焦距，D是由光栅和透镜的口径限制的光束的直径。所以f、D不能过小。4、棱镜单色仪和光栅单色仪有何不同？答：光栅单色仪适用范围更广，可到达短波，色散性能要优于棱镜。参考文献：1、《基础物理实验》