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1、实验报告 实验题目: 光栅单色仪的调整和使用实验目的: 了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。实验原理: 一.光栅单色仪的结构和原理光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。单色仪的光源有：火焰、 电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。PMTM2GM1S1：入射狭缝 S2：出射狭缝 M1：离轴抛物镜G：闪耀光栅 M2：反光镜 PMT：光电倍增管 S2图2 光栅单色仪的分光系统S1光栅单色仪的分光系统，如图1所示，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜M1的焦平面上，
2、光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。如下图所视，当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为f（见图）时，光栅的闪耀角为q。取一级衍射项时，对于入射角为f，而衍射角为q时，光栅方程式为：d(sinfsinq)= l因此当f、q一定时，波长l与d成正比。几何光学的方向为闪耀方向，则可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于反射角的方向，即，所以有，光栅方程式改为： 单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm光栅的面积6464mm2光栅的刻划
3、密度为1200线/mm二、狭缝宽度缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小。最佳狭缝宽度为：。其中f为抛物镜的焦距，D是由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，实验中f500mm，D=64mm。根据光学的理论知识可知，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。理论上它们分别为：式中为光栅的总线数，在本实验中为641200=76800，m为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱
4、线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。实验内容:1. 熟悉实验仪器和设备，了解注意事项。2. 测量钨灯的光强与波长的关系曲线。分别加或不加滤波片的条件下，从400nm到750nm共2组测量。3. 测量LED灯的光强与波长的关系曲线。不加滤波片的条件下，从400nm到550nm共1组测量。4. 测量汞灯的波长光强曲线，并利用软件计算出峰的位置及分辨率。实验分析:l 钨灯的光强与波长分布曲线根据实验数据画出图形如下：l LED灯的光强与波长分布根据数据画出实验图形如下：l 汞灯的波峰与单色仪实际分辨率的测量 峰值半波宽分辨率第一波峰576.9825nm0.2355n
5、m2450.03第二波峰579.1949nm0.2339nm2476.25误差分析：l 分辨率的误差光谱仪的实际分辨本领远远小于理论分辨率76800，因为实验中由于光学系统的调节有误差，其他杂光如对面同学做激光实验或日光灯的影响，或各种原因使峰宽增大会使实际分辨率下降。在这些误差允许的范围内我们可以认为实际的分辨率和我们预想的相差不大。l 其它误差原因1.光路的调节不佳导致光强未能达到实验要求的起始值导致误差。2.由于仪器的原因，比如在扫描时速度太快导致光强计数存在误差。3.周围的光线影响，实验台不稳定等导致光路不稳定。思考题:1. 说明钨灯和钠灯、汞灯光谱的区别和道理。答：由实验可知钨灯的光
6、谱为连续谱，而汞灯的光谱为分立谱。这是由它们不同的发光机制造成的：钨灯是由原子电离出的电子所产生的，由于电离出的电子具有连续的能量分布，所以光谱是连续的；汞灯是由原子内部电子发生能级跃迁造成的，所以光谱是分立的。2. 为什么狭缝具有最佳宽度？如何求出狭缝的最佳宽度？答：由实验原理的图5可知狭缝太宽会使分辨率下降，而太窄则会导致透射光强太弱。所以必然会有一个最佳的宽度。最佳宽度的计算可以由此公式： （D为光栅的宽度， f为等效会聚透镜的焦距）得出。3. 单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和计算？答：理论分辨本领R的计算： m为干涉级次， m=1， N为光栅的总线条数。实际分辨本领
7、的测量和计算：测量汞灯的576.96nm与579.96nm两条光谱线，并根据这两条光谱线计算出单色仪的实际分辨本领R。原理和操作如下：用实验计算机上的“单色仪”应用程序，进去后设定好当前位置和积分时间，然后利用分段扫描F3粗扫描测出a和b，测出l1和l2的粗略值。再利用归峰扫描F6测出精确的l1和l2的值和半峰。由以以上公式计算出实际分辨本领。4. 用钨灯测出的光强分布曲线可以说明什么？答：用钨灯测出的光强分布曲线为连续曲线，说明钨灯发出的是连续光谱，所以可以否定原子能级跃迁发射光子的可能。钨灯发光应该是由游离与原子实外的自由电子辐射的能量，由于其具有连续的能量分布，所以发射的光谱也是连续的。从宏观上说是由于灯丝发热，进行热辐射，所以发射连续光谱。 实验心得与总结: 在本次试验中，我学会利用单色仪分析光谱与通过汞灯的波峰分析了单色仪实际的分辨率。 单色仪是利用利用光栅衍射的方法获得单色光的仪器。它可以从复合光中得到单色光。通过光栅一定的偏转角度得到某个波长的光，并可以测定他的数值和强度，因此可以进行复合光的光谱分析。通过单色光可以进行复合光的光谱分析。而这种光谱分析有很广泛的应用，比如可用通过分析化石种元素的光谱可以确定其存在年代，这对考古学、生物学、甚至地球学等领域研究提供了新的手段。