單色儀的定標和光譜測量

MonochromatorExperiments三級物理實驗單色儀的定標和光譜測量

MonochromatorExpe1內容簡介單色儀的用途光譜學發展史簡介單色儀的結構和原理閃耀光柵的工作原理單色儀的入射和出射狹縫鈉燈、He-Ne激光器、ＬＥＤ燈、汞燈的光譜測量濾光片的吸收特性光譜測量紅寶石吸收和發射光譜測量，羅丹明6G溶液的發光和吸收光譜測量內容簡介單色儀的用途2單色儀的用途從復色光源中提取單色光測量復色光源的光譜：研究目的—物質的輻射特性，光與物質的相互作用，物質的結構（原子分子能級結構），遙遠星體的溫度、質量、運動速度和方向。應用范圍—采礦、冶金、石油、燃化、機器制造、紡織、農業、食品、生物、醫學、天體與空間物理（衛星觀測）等等。單色儀的用途從復色光源中提取單色光3光譜學發展史簡介1、形成階段：1666年牛頓在研究三棱鏡時發現將太陽光通過三棱鏡太陽光分解為七色光。1814年夫瑯和費設計了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學系統并發現了太陽光譜中的吸收譜線（夫瑯和費譜線）。2、研究室和應用階段：1860年克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俟庾V設計成較完善的現代光譜儀—光譜學誕生。由于棱鏡光譜是非線性的，人們開始研究光柵光譜儀。光譜學發展史簡介1、形成階段：4光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區受到材料的限制（光的波長小于120nm，大于50m時不能用)光柵的角色散率與波長無關，棱鏡的角色散率與波長有關。棱鏡的尺寸越大分辨率越高，但制造越困難，同樣分辨率的光柵重量輕，制造容易。光柵存在光譜重疊問題而棱鏡沒有。光柵存在鬼線（由于刻劃誤差造成）而棱鏡沒有。優點缺點光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區受到材料的限制（光的波長小于15單色儀的結構和原理PMTM2GM1S1：入射狹縫S2：出射狹縫M1：離軸拋物鏡G：閃耀光柵M2：反光鏡PMT：光電倍增管

S1S2圖1三部分—光源和照明系統、分光系統和接收系統單色儀的結構和原理PMTM2GM1S1：入射狹縫S26單色儀的照明系統光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）電火花、電弧（電火花發生器）、激光、高低壓氣體燈（鈉燈、汞燈等）、星體、太陽單色儀的照明系統光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）7單色儀的接收系統—光電倍增管單色儀的接收系統—光電倍增管8光電倍增管工作原理利用光電子發射效應和二次電子發射效應制成的光電器件。光電倍增管是電流放大元件，具有很高的電流增益，因而最適合于微弱信號的檢測。優點是靈敏度高、穩定性好、響應速度快和噪音低。缺點是結構復雜、工作電壓高、體積大。使用光電倍增管應當了解它的特性，如它的頻率特性、時間特性、暗電流和噪聲特性，還有穩定性及對環境的要求等。光電倍增管工作原理利用光電子發射效應和二次電子發射效應制成的9光電倍增管使用注意事項負高壓可達900伏（光電倍增管加的電壓為負高壓）先開電源，打開測量軟件后，設定測量參數，根據測量要求再調節負高壓（關時一定要先關軟件，再關電源）。一般在半小時后陽極電流達到穩定（暗電流）。輸入光信號不可過強，光陰極面不可直接暴露在光照下（特別是在加了電壓的情況下，否則將燒毀光電倍增管）。為了盡可能降低噪聲在不使用光電倍增管的時候要擋住入射光。光電倍增管使用注意事項負高壓可達900伏（光電倍增管加的電壓10單色儀的分光系統—矩形光柵單色儀的分光系統—矩形光柵11入射光垂直矩形光柵時衍射光強的分布公式：

單縫衍射因子干涉因子a為光柵透光部分的寬度，N為光柵的總周期數d為光柵的周期，為衍射角入射光垂直矩形光柵時衍射光強的分布公式：單縫衍射因子12單色光的光柵光強分布的曲線透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.02mm光柵的總條數:N=4透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.03mm光柵的總條數:N=100單色光的光柵光強分布的曲線透光縫寬:a=0.01mm透光縫寬13光柵方程式d為光柵周期，為入射角，為衍射角，m為衍射級次，為光的波長。描述各個干涉因子主極大的位置光柵方程式d為光柵周期，為入射角，為衍射角，m為衍射級次14光柵的色散原理分辨本領譜線的半角寬度光柵的角色散本領光柵的光譜分辨本領理論分辨本領計算實例：m=1,N=64mm1200/mm=76800光柵的色散原理分辨本領譜線的半角寬度光柵的角色散本領光柵的光15閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線方向N為光柵面法線方向為光線的入射角為光線的衍射角

b

光柵的閃耀角-b

角度的符號規定（順時針為正）閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線方向N為光柵面法線16入射角與閃耀波長的關系幾何光學的方向能量最大：m=1一級閃耀波長為5o，10o,30o587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm入射角與閃耀波長的關系幾何光學的方向能量最大：m=1一級閃耀17光強曲線光強曲線18單色儀狹縫寬度的討論1、設照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點為獨立的點光源）。2、設狹縫為無限細，由衍射理論可知譜線的半寬度為：3、當狹縫a逐漸變寬時的變化如下圖所示：

a/anw0狹縫的最佳寬度單色儀狹縫寬度的討論1、設照明狹縫的光是完全非相干的（即每一19狹縫寬度與分辨率、譜線強度的關系由上圖可見縫寬過大時實際分辨率下降，縫寬過小時出射狹縫上得到光強太小，取a=an最好。a/anRI1狹縫寬度與分辨率、譜線強度的關系由上圖可見縫寬過大時實際分辨20實驗內容光柵單色儀的定標高壓汞燈光譜測量紅寶石晶體的發射和吸收光譜測量濾光片的吸收曲線測量羅丹明6G溶液的發射和吸收曲線測量藍色LED燈測量（400-550nm）實驗內容光柵單色儀的定標21光柵單色儀的定標

―――鈉燈光譜589.0nm589.6nm光柵單色儀的定標

―――鈉燈光譜589.0nm589.622鈉原子的光譜光譜公式（里德堡常數R）主線系589.0nm/589.6nm銳線系616.0nm/615.4nm漫線系568.3nm/568.86nm497.78nm/498.2nm鈉原子的光譜光譜公式（里德堡常數R）23高壓汞燈光譜測量高壓汞燈光譜測量24顏色波長/nm強度紫色△404.66強△407.78中410.81弱433.92弱434.75中△435.84強藍綠色△491.60強△496.03中綠色535.41弱536.51弱△546.07強567.59弱黃色△576.96強△579.07強585.92弱589.02弱橙色△607.26弱△612.33弱紅色△623.44中深紅色△671.62中△690.72中708.19弱汞燈的主要發射譜線顏色波長/nm強度紫色△404.66強△407.78中41025單色儀實際分辨率的測量波峰波的半高寬度分辨率單色儀實際分辨率的測量波峰26紅寶石晶體的發射和吸收譜線694.3nm692.8nm紅寶石晶體的發射和吸收譜線694.3nm692.8nm27濾光片的吸收曲線濾光片的吸收曲線28羅丹明6G溶液的發射和吸收光譜測量羅丹明6G溶液的發射和吸收光譜測量29LED燈的光譜測量LED燈的光譜測量30實驗的難點和重點光源位置和光路設計與調整；狹縫的寬度確定和調整負高壓值的選取實驗的難點和重點光源位置和光路設計與調整；31【注意事項】入射狹縫與出射狹縫可微調汞燈在測量10分鐘前打開預熱穩定，測量結束后立刻關閉盡量避免強光直接入射到單色儀中以免損傷光電倍增管，負高壓不得超過90