實驗二十一 衍射光柵衍射光柵是根據單縫衍射和多縫干涉原理制成的一種分光元件，它能產生譜線間距較寬的勻排光譜。所得光譜線的亮度比用棱鏡分光時要小些，但光柵的分辨本領比棱鏡大，條紋清晰，可以用于幾納米到幾百微米的整個光學譜域，用光柵作色散元件的光學儀器在地質、冶金、石油化工等科學技術領域得到廣泛應用。實驗目的1.進一步熟悉分光計的調節和使用。2.觀察光柵的衍射現象及特點。3.掌握利用光柵測量光柵測量光柵常數和波的的原理和方法。實驗儀器分光計，汞燈，平面鏡，光柵等。實驗原理光柵是由等寬等間距的互相平行的許多狹縫構成的光學元件。光柵有兩種，一種是由用作透射光衍射的透射光柵；另一種是用于反射光衍射的反射光柵。根據光柵制作工藝不同有刻劃光柵、復制光柵與全息光柵之分。一般的光柵在一毫米內有幾百至幾千條狹縫，本實驗中所用的是每毫米有300-600條狹縫的全息透射光柵。 若以單色平行光垂直照射在光柵面上，則透過各個狹縫的光線因衍射將向各個方向傳播，經透鏡匯聚后互相干涉，并在透鏡平面上形成一系列被相當寬的暗區隔開的間距不同的明條紋。按照光柵衍射理論，衍射光譜中明條紋的位置由下式決定 （4-21-1）式中d=a+b成為光柵常數，為入射光波長，k 為明條紋（光譜線）級數，是第k級明條紋的衍射角。（參見圖4-21-1）。如果入射光是復色光，則由式（4-21-1）可以看出，光的波長不同，其衍射角也各不相同。于是復色光將被分解。而在中央處，各色光仍重疊在一起，組成中央明條紋。在中央銘文兩側對稱地分布著k=1，2級明條紋各明條紋按照波長由大到小的順序排列成一組彩色條紋，成為光譜。見圖4-21-1（b）根據以上討論，我們用分光計測得k級光譜線的衍射角后，若給定入射光波長,便可用公式（4-21-1）求出光柵常數d；反之，若已知光柵常數d,又可以求出入射光的波長。實驗內容1調整分光計調整方法見實驗十八，分光計的調整應滿足：（1） 望遠鏡適合于觀察平行光，并使其光軸垂直于分光計轉軸；（2） 平行光管發出平行光，且使其光軸垂直于分光計轉軸，并與望遠鏡光軸登高。 分光計調好后，固定望遠鏡。2.調整光柵(1)調節光柵平面垂直于平行光管光軸。把光柵按圖4-21-2安置在平臺上，然后以光柵面作為反射面，用自準法調節光柵面與望遠鏡光軸垂直。（注意：望遠鏡已調好，望遠鏡光軸高低調節螺絲不能再動！）轉動載物臺，調節調平螺絲G1或G2，使光柵面反射回望遠鏡的亮十字線與分劃板上方的黑十字絲重合。這時，如果狹縫像、亮十字的垂直線和分劃板垂直線三者重合，說明光柵平面已垂直平行光管光軸，隨后把游標盤鎖緊。（2）調節光柵刻線與分光計轉軸平行。松開望遠鏡止動螺絲，并旋緊望遠鏡與度盤止動螺絲，使刻度盤能隨望遠鏡一同轉動。左右轉動望遠鏡，觀察衍射光譜線的分布情況，中央零級呈白色明紋，兩側對稱地排列著級和級的譜線組（見圖4-21-1）。如果左右的譜線高低有變化，則說明光柵上的刻度線與平行光管的狹縫不平行，此時只要調節調平螺絲G2（見圖4-21-2），直到各譜線一般高為止。第二級譜線比較暗淡，要仔細觀察。3.測量汞燈各級譜線的衍射角 （1）由于衍射光譜對中央明條紋是對稱得，先測出-k級光譜線相應的兩游標讀數再測出+k級光譜線相應兩游標讀數（和對應同一游標），則有 （2）將望遠鏡移至左邊-1級到右邊+1級依次測量，記下各條譜線中藍、綠、黃1、黃2色譜線位置的兩游標讀數（見圖4-21-3）。 (3)為了使十字絲精確對準譜線，可以使用望遠鏡微動螺絲調節。 數據處理1.已知綠譜線的波長綠=546.07nm，求光柵常數d 。 （提示：）2.利用已測出的光柵常數，求藍、黃1、黃2和誤差。（提示： ）3.已知個譜線波長的公認值分別為：藍=534.83nm；黃1=576.96nm；黃2=579.07nm。求測量值與公認值的百分誤差。注意事項1.光柵是精密光學元件，嚴禁用手觸摸光學表面，不得擦拭其表面，以免弄臟或損壞。注意輕拿輕放，嚴禁跌落摔壞。2.汞燈紫外光很強，不可直視，以免灼傷眼睛。3.汞燈在關閉后不能立即打開，要等燈管溫度下降后，水銀蒸氣壓降到一定程度才能重新點燃，一般約等10min，否則損壞汞燈。預習思考題1.什么是光的衍射現象？2.三線重合是指哪三線