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1、实验3-2 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】图3-2-1当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板时，有一部分光被反射，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的单色平行光垂直入射到一块厚度为d的透明介质平板上，如图3-2-1所示。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 ，则定义介质板的光谱外透射率T和介质的光谱透射率Ti分别为 （
2、3-2-1） （3-2-2）以上提到的I1、I2、IR和IT是指光在界面1和2上，以及在介质中多次反射和透射的总效果。一般来说，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。我们将光谱透射率Ti与波长的关系曲线称为透射曲线。依据朗伯-比耳定律，在均匀介质内部光谱透射率Ti与介质厚度d有如下关系 （3-2-3）式中称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。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。设光垂直入射到厚度为d的介质上，光要从介质前后表面发生反射。如果值很小，反射可以进行多次。若介质表面的反射系数为R，则透过样
3、品的光强为 （3-2-4）式中IT1、IT2、IT3 分别表示从界面2第一次透射、第二次透射、第三次透射的光的光强。所以 （3-2-5）通常介质的光谱透射率Ti和吸收系数是通过测试由同一材料加工成的（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d2，d2d1，光谱外透射分别为T1和T2。由（3-2-5）式可得一般R和都很小，故上式可近似为 （3-2-6）即 （3-2-7）比较（3-2-6）式和（3-2-3）式，可得 （3-2-8）在合适的条件下，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
4、透射率和吸收系数 （3-2-9） （3-2-10）式中i1和i2分别表示试样厚度为dl和d2时光电流的大小。【实验仪器】WGD8A型组合式光栅光谱仪（附录3-2-2）；汞灯及汞灯电源；溴钨灯及溴钨灯电源；镨钕玻璃3片（厚度分别为1mm和2mm）【实验内容】1、光谱仪的调节和波长示值的修正（1）调光谱仪的底脚螺钉，以保证光谱仪水平放置（2）以汞灯作为光源，校对光谱仪波长示值的准确度，并做修正校正时，首先调好狭缝S1和S2宽度（l2mm），然后点燃汞灯，打开光谱仪电控箱电源，调整光电倍增管工作电压约500V左右，启动WGD8A光谱仪的控制软件（光电倍增管部分），待准备状态结束后，测量汞灯的能量谱。
5、如果能量谱高度超出显示范围或太小，可适当改变狭缝S1和S2宽度，以及光电倍增管工作电压，使能量谱显示适中。将计算机给出的汞的四条谱线的标称值与标准波长值（432.8 nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）对比，若出现偏差，则应将修正值输入计算机中。 2、观察和测量镨钕玻璃的典型吸收峰（300nm660nm）关闭汞灯，用溴钨灯换下汞灯，将溴钨灯直接安装在光谱仪入口狭缝（S1）前，并将待测的较薄的一片镨钕玻璃垂直放入样品室内，保持原有狭缝宽度不变，测量此时的介质透射能量谱，并根据实测曲线的信号强度来调节光电倍增管的电压参数，使所测信号具有适当强度。待调整完毕，重新扫描一次，观察各吸
6、收峰，记录它们的波长和能量。3、测量镨钕玻璃在500660nm之间的吸收曲线分别测量1mm和2mm厚的镨钕玻璃片在500660nm之间透射能量谱i1（）和i2（），并根据（3-2-9）式和（3-2-10）式做出镨钕玻璃在500660nm之间的吸收曲线（）。为了减小电源及光电倍增管不稳定的影响，可对每块玻璃的能量谱进行多次测量。分布数据点时要合理。4、测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线用提供的三块镨钕玻璃组织四个厚度，选择某个吸收峰，测绘吸光度A与介质厚度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（）。吸光度A定义为： （3-2-11）式中I0为对应所选吸收峰处的入射光强；Ik为
7、增加不同厚度镨钕玻璃片时获得的透射光强。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。2、狭缝的调节必须小心，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，应将缝宽调节到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。5、实验开始前需要用标准光源进行波长修正。【数据处理】1、以溴钨灯作为光源，将1mm镨钕玻璃放入样品室内，此时介质透射能量谱由计算机绘得如下：图3-2-2 1mm镨钕玻璃E曲线其吸收峰对应能量
8、波谷位置，计算机自动寻谷，得到数据为=430.50nm，对应谷值E=453.2eV=513.50nm，对应谷值E=578.3eV=529.00nm，对应谷值E=456.2eV=572.00nm，对应谷值E= 64.0eV=585.00nm，对应谷值E= 43.7eV2、做出镨钕玻璃在500660nm之间的吸收曲线1mm和2mm镨钕玻璃E曲线如下图3-2-3 1mm镨钕玻璃E曲线图3-2-4 2mm镨钕玻璃E曲线以波长间隔为10nm取能量值，数据记录如下表表3-2-1 1mm和2mm镨钕玻璃随波长变化的能量值5005105205305405505605701mm738.5587.5625.945
9、4.7784.4844.0804.966.42mm640.8386.8429.8239.1686.0793.9736.823.45805906006106206306406506601mm140.7125.0449.3583.6660.3609.5568.7515.8461.12mm37.436.6264.7469.6635.2582.9558.7512.6454.0按照公式（3-2-9）和（3-2-10）对以上数据进行处理，记入下表表3-2-2 随变化数据表5005105205305405505601.1521.5191.4561.9021.1431.0631.0920.1420.4180.
10、3760.6430.1340.0610.0880.1420.4180.3760.6430.1340.0610.0885705805906006106206306406506602.8383.7623.4151.6971.2431.0401.0461.0181.0061.0161.0431.3251.2280.5290.2170.0390.0450.0180.0060.0161.0431.3251.2280.5290.2170.0390.0450.0180.0060.016根据以上数据，绘制500nm660nm之间曲线，如下图3-2-5 500600nm镨钕玻璃曲线3、测量吸光度与介质厚度之间的
11、关系曲线由计算机绘得不同厚度镨钕玻璃E曲线如下图3-2-6 1mm5mm厚度镨钕玻璃E曲线除了记录以上曲线各数据之外，还要知道没有镨钕玻璃时，探头测得的能量，即入射能量。在实验中，同样已测出，如下图3-2-7 入射光E曲线以上是曲线截图，接下来整理数据。选取某一吸收峰处=527.2nm。将该波长处不同厚度镨钕玻璃片所对应透射能量记入下表。表3-2-3 =527.2nm处不同厚度镨钕玻璃片所对应透射能量厚度/mm012345/e250.1113.854.725.411.77.3由式（3-2-11）可知d=1mm时， d=2mm时， d=3mm时， d=4mm时， d=5mm时， 绘得吸光度A与介
12、质厚度d的关系曲线，如下图3-2-7 Ad曲线用最小二乘法求处介质吸收系数Ad曲线基本呈线性，设A=+da、 b的最佳值分别为故可将=527.2nm 处Ad曲线关系描述为A=0.3056d由（3-2-11）知 A=2.303d以上两式对照可知 2.303=0.3056计算得 =0.133【思考题】1、 光谱仪波长示值的修正为什么要用汞灯？测量吸收曲线为什么要用溴钨灯？ 答：汞灯的光强较强，抗杂光能力较强，光谱较宽。溴钨灯的光强比较柔和，在500-660nm之间时其能量的变化的较为缓慢。2、试讨论狭缝的宽度对测量的影响。 答：狭缝既是光进入仪器内部的通道，当狭缝较宽时通道进入的光就比较多，这样就会超过所测范围，由于所用仪器主要部件为光电倍增管，会引起光电管烧毁。【实验总结】 本实验的实验原理跟简单，利用光谱法测量透明介质的吸收曲线，通过放置不同厚度的镨钕玻璃测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线。实验过程中，我们需要设置好扫描间隔，调好实验仪器，保证电压不能超过700V，然后耐心地进行单程扫描，得到各个厚度下的单程扫描图像，将其保存下来进行实验处理。做实验要培养我们的自主能力和创新能力，实验之前我们要认真的看实验教材和实验仪器使用说明书，独立自主的完成实验的内容，养成独立学习和思考的能力，这是本次试验给我的最大的体会和收益。9