光栅光谱仪.ppt

1、1,光栅光谱仪,制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院 王形华,2,复习,一、夫琅和费多缝衍射(平面光栅)： 振幅分布： A=a0(sin/) (sinN/sin) 强度分布： I=a02(sin/)2 (sinN/sin)2 其中： =asin/ =dsin/ (sin/)2 : 单缝衍射因子 (sinN/sin)2 : 缝间干涉因子。,3,二、缝间干涉因子的特点： 1、主极强的位置： sin=k/d 或 d sin=k 2、主极强的强度 ：I=N2I10 （I10：单缝零级强度 ） 3、主极强的数目： k d / （ sin 1 ，若：d , k 只能取零，除零级外，无其它主极强。）,4

2、,4、暗线（点）的位置： =(k+m/N)， 或 sin = (k+m/N)/d k=0、1、2、3、 m=1、2、3、N-1 每两个主极强之间有N-1条暗线，有N-2次极强。 5、主极强亮线的宽度： =/（N d cosk ）,5,三、单缝衍射因子作用： 1、单缝衍射因子并不改变主级强的位置和半角宽度，但会改变各主级强的强度。即单缝衍射因子的作用仅在于影响强度在各主极强间的分配。 2、缺级问题： 条件： sinN/sin具有极大， sin/为零， 即： sin=k/d ， sin=k /a k= k d/a k =1、2、3、 ,6,新授： 2、光栅光谱仪,一、光栅的分光原理 1、光栅方程（

3、公式）：sin =k / d 或: d sin =k 主极强位置 不同波长的同级主极强位置出现在不同的方向，长波的衍射角大，短波的衍射角小，如果入射光里包含几种不同波长的光，则除0级外各主极强的位置都不同。（见图2-1）,7,8,2、用缝光源照明时，看到的衍射图样中，有几套不同颜色的亮线（谱线），它们各自对应一个波长。 各种波长的同级谱线集合起来构成光源的一套光谱，光栅具有分光作用。 3、光栅的光谱与棱镜的光谱有一个重要的区别：光栅的光谱一般有许多级，每一级是一套光谱，总的有几套光谱，而棱镜光谱只有一套。,9,二、光栅的色散本领和色分辨本领,1、光栅的性能标志主要有两个：色散本领和 色分辨本领

4、。 2、色散本领：为了描述波长差的两条谱线 其角间隔或在幕上的距离l有多大. 角色散本领定义：D=/ 线色散本领定义：Dl= l / 设光栅后面聚集物镜焦距为f: l=f Dl =D,10,3、光栅的色散本领： sink=k/d cos k k=k/d D=/=k/d cos k Dl= l /=k / d cos k D 1/d Dl f/d 为了增大角色散本领d要小，每mm内数 百条或上千条缝： d10-2 10-3mm。 对于1级光谱（k=1）: D 0.1/埃 1/埃，为了增大线色散本领， 常达数米, Dl 0.11mm/埃.,11,12,4、光栅的色分辨本领 色散本领只反映谱线（主极

5、强）中心分离的程度，它 不能说明两条谱线是否重迭，要分辨波长很接近的谱线需 要每条谱线都很细。 + 角间隔： 谱线半角宽度: 无法分辨: 刚好分辨: = 较好分辨: （见图2-2）,13,瑞利判据： = 两条谱线刚好分辨的极限 谱线的半角宽度：=/(N d cosk ) = /D= /D = (/N d cosk ) / k /(d cosk) =/(N k) 越小，色分辨本领越大。 分光仪器的色分辨本领定义为：R=/ 光栅的色分辨本领公式为：R=N k 只与k、N有关，与d无关。,14,15,（Note: Dl= l /=k / d cos k , d=1/200=0.005(mm), k=

6、1）,16,三、量程与自由光谱范围,1、量程：光栅能够测定的波长的最大范围 d sin k =k , k 900 , sin 1, 所以： Md 即：工作于不同波长段的光栅光谱仪， 要选用光栅常数适当的光栅备件。,17,2、自由光谱范围 考虑光栅光谱中可能发生邻级光谱 线重迭的现象， m与 M受到限制。 例： 1 =800埃 2 =400埃 则: 1的一级谱线正好与 2的二级谱 线重迭。 所以对于一级谱线来说： m M/2,18,四、闪耀光栅,1、透射光栅的缺点： 对于零级无色散级：(sin / )2与(sinN /sin)2都最大：1和N2这意味着0级主极强占有了总光能的很大一部分，其余各级

7、谱线的强度比较小，不便于观测。,19,2、闪耀光栅（平面反射光栅） 目的：将单缝衍射0级与缝间干涉0级错开，从而把光能移到所需要的某一级谱线上（让零级成为缺级）。 方法：选择两种照明方式： 第一种：平行光束沿槽面法向方向 n 入射。 第二种：平行光束沿光栅平面法线方向N入射（见图2-3）。,20,21,第一种照明方式： 单槽衍射的0级是几何光学的反射方向，即沿原方向返回（ b ）。 相邻槽面之间，在 n 方向上的光程差： L=2 d sin b （为什么有系数2？） 满足2 d sin b = 1 b的 1 b称为一级闪耀波长（此时k=1）。 可见：光栅单槽衍射0级主极强正好与的一级槽间的主极

8、强重迭。,22,23,考虑到ad, 1b的其它级（包括0级）都几乎落在单槽衍射击的暗线位置，形成缺级，这样80%90%的光能集中在光的一级谱线上，使其强度大大增加（见图2-4）。 同理： 若 2b满足， 2 d sin b = 2 2 b（此时k=2），光强集中在于级闪耀波附近的二级光谱中。 显然：可以通过设计不同的闪耀角b ，使光栅适用于某一特定波长的某一级光谱 上。,24,第二种照明方式： 平行光束沿光栅平面法线N入射，经槽面反向的几何光线与入射方向有2b的夹角。这时相邻槽面间的光程差将为: L =dsin2 b 有关这种照明方式衍射图样的分析与第一种类似，只是需采用斜入射的公式进行处理（

9、见1习题3）。 作业：P30 3、4.,25,3 三维光栅 晶体对 X 射线的衍射,一、X 射线,1895年德国的伦琴偶然发现。故也称伦琴射线。,高速电子束轰击固体靶时所产生的一种波长极短的电磁辐射。,# 在电磁场中不发生偏转。,# 穿透力强,# 波长极短， 范围在0.001nm10nm之间。当遇含杂质的溶液时能发生散射。,1、定义：,2、特点：,# 能使许多固体发出可见荧光,# 能使空气电离,# 能使照像底片感光,26,二、晶体对X 射线的衍射,天然晶体的点阵间距与X射线的波长同数量级（10-8cm）， 可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅。,劳厄于1912年利用右图所示 的实验装置，进

10、行了晶体对X 射 线的衍射实验，在乳胶板上观察 到了对称分布的若干衍射斑点， 称为劳厄斑。,1913年英国物理学家布喇格父子提出一种简化了的研究X射线衍射的方法，与劳厄理论结果一致。,验证了X射线的波动性，也因此获得了1914年的诺贝尔物理学奖。,27,三、布喇格方程,一束平行光与晶面成0角入射到晶面上，则：同一晶面上相邻粒子（如A、B）散射的光波的光程差零 AD-BC= 0， 它们相干加强。若要在该方向上不同晶面上粒子散射光相干加强，则相邻层对应粒子必须满足：,即当满足上式时，各层面上的众多粒子的无穷次波（即反射光）相干加强，形成细锐的亮点，称为 j 级衍射主极大。,因为晶体中粒子排列的空间性，所以，劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。,1、点阵平面簇,构成晶体的粒子（如原子）密集地排列成一系列平行于晶体天然晶面的平面簇（如右图示），平面簇间的间距均为d。,2、布喇格方程