用单色仪测定介质的吸收曲线.docx

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用单色仪测定介质的吸收曲线

用单色仪测定介质的吸收曲线

一、实验目的

1、了解单色仪的构造原理并掌握其使用；

2、加深对介质光谱特性的了解，掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法；

3、初步了解光电池的工作原理及其应用。

二、实验原理

当一束光入射到有一定厚度的介质平板上时，有一部分被反射，另有一部分光被介质吸收，剩下的光以介质板透射出来。

设有一束波长为，入射光强为的单色平行光垂直入射到一块厚度为d的介质平板上，如图1所示。

若从界面1射回的反射光的光强为，从界面1向介质透射的光的光强为，入射到界面2的光的光强为，从界面2出射的透射光的光强为，则定义介质板的光谱外透射率和介质的光谱透射率分别为：

这里，，，，都应该是光在界面1和2上以及介质中多次反、透射的总效果。

通常，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。

这里为简单起见，对以上及以后的各个与波长有关的量都省略波长标记，但都应理解为广谱量。

光谱透射率与波长的关系曲线称为透射曲线。

在介质部（假定部无散射），光谱透射率与介质厚度d有如下关系：

式中，称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。

它不仅与介质有关，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。

设光在单一界面上的反射率为R，则透射光的光强为

式中，，…分别表示光从界面2第一次透射，第二次透射……的光的光强。

所以

通常，介质的光谱透射率和吸收系数是通过测量由同一材料（相同）加工成的、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和，，光谱外透射率分别为和，则

又一般R和都很小，故上式可近似为

所以

综合以上

本实验中采用光电池和微电流放大器测量光强。

合适条件下，光电池输出的光电流与照射到它表面的光的光强成正比。

光电流经由微电流放大器后由数字表直接显示其数值，从而计算光谱透射率和吸收系数，即

其中，和分别表示式样厚度为和时微电流放大器上数字表的示值。

三、实验装置

图2是实验装置示意图。

本实验中使用单色仪为WDM1型光栅单色仪。

它的光学系统由三部分组成：

入射狭缝和准直球面反射镜构成入射准直系统，以产生平行光束；反射光栅G为色散元件，以产生各种波长的单色光；聚焦球面反射镜、平面反射镜及出射狭缝构成出射聚光系统，将光栅分出的单色光汇聚在出射狭缝上。

图中汞灯P用于单色仪的校准。

溴钨灯F用于测量，溴钨灯的工作电流有恒流源控制。

自制的微电流放大器由高精度运放与数字显示组成。

会聚透镜L将光源F发出的白光会聚到入射狭缝上，然后投射到上。

由于处在的焦平面上，因此的反射光成为平行光。

此平行光经光栅G衍射后分成一系列衍射方向不同的各种波长的单色平行光。

由于光栅装置是与单色仪的传动机构相连的，因此当转动调节手轮K时，可使光栅旋转，让不同波长的单色平行光相继投射到聚焦球面反射镜上，并经平面镜反射后成像于出射狭缝上。

如果宽窄合适，不同波长的单色光就相继从射出。

波长值可从单色仪的波长读数装置上读出。

本实验实际操作过程中，样品插放在入射狭缝前，由2块并排摆放的宽为4mm，厚度为0.8mm、2.8mm的钕玻璃组成。

四、实验任务及注意事项

（一）单色仪的调节和波长示值的校准

1．利用汞灯作为光源校准单色仪的波长示值

1）波长读数装置转到577.0nm-579.1nm之间，汞灯放入射狭缝前，、宽度调至2mm；

2）迎光观察上汞的黄色谱线，用显微镜对准出射狭缝，关小入射狭缝使两谱线分开至较细即可；

3）关小出射狭缝，同时微动手轮，是一条谱线在缝中间，使狭缝与谱线同宽，读单色仪示值；

4）转手轮K读下一条谱线；

5）检查测量值与标准值（435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）之差，即仪器系统偏差（要求）。

2．调节狭缝宽度

1）按步骤1中1）重新调节狭缝宽度

2）迎光观察上汞的两条黄色谱线，用显微镜对准出射狭缝，调节入射狭缝使两谱线刚好分开，此时入射狭缝宽约0.8mm

3）调出射狭缝，转手轮K，使出缝宽度与谱线宽度相同，此时、同宽，约0.8mm

3．调节溴钨灯光

如图3，将光源聚焦成像在狭缝前。

聚光镜通过光孔径，焦距，单色仪球面镜（准直镜）的光阑宽度。

成像规律遵守高斯公式。

此外为使球面镜孔径D充分照明，应使。

（二）测量钕玻璃在610.0nm-550.0nm围的吸收曲线

用溴钨灯作光源并进行共轴调节，使外光路光轴与单色仪光轴重合，避免光线斜入射造成光能损失。

1．手轮K调到610.0nm，通过观察透镜像，移动透镜，使像位于缝中，缩透镜

2．左右移动溴钨灯使像全亮。

放样品架B，记录无样品及薄、厚样品在狭缝中间时的位置

3．装探测器，打开微电流放大器，微动溴钨灯，使放大器示值最大

4．调灯丝电流，使使放大器示值在1700-1900之间

5．选定厚钕玻璃片，定性观察钕玻璃对不同波长的吸收情况，确定吸收峰大致波长位置。

正式测量时，每隔1nm测一次，吸收峰附近测量点应更密一些，每隔进行一次测量。

测量围610.0nm-550.0nm

6．选择薄钕玻璃片，在与厚钕玻璃片波长相对应的位置测量

7．根据两组数据，求钕玻璃的吸收系数曲线

五、数据处理以及误差分析

1．单色仪的调节和波长示值的校准=___0.35__

真值

435.8

546.1

577.0

579.1

示值

436.1

546.5

577.3

579.5

偏差

0.3

0.4

0.3

0.4

2.测量钕玻璃在610.0nm-550.0nm围的吸收曲线

实验数据记录如下表：

λ（修正前）

λ（修正后）

n1

n2

a

610.00

610.35

1.50

1.33

39.15

608.00

608.35

1.49

1.35

32.87

606.00

606.35

1.48

1.34

33.24

604.00

604.35

1.45

1.28

40.91

602.00

602.35

1.42

1.22

50.80

600.00

600.35

1.38

1.16

60.29

598.00

598.35

1.35

1.08

73.95

596.00

596.35

1.28

0.89

121.39

594.00

594.35

1.22

0.75

160.95

592.00

592.35

1.22

0.80

140.91

590.00

590.35

1.19

0.75

154.55

589.50

589.85

1.18

0.71

170.28

589.00

589.35

1.15

0.65

191.14

588.50

588.85

1.12

0.59

216.79

588.00

588.35

1.09

0.53

239.10

587.50

587.85

1.06

0.48

262.32

587.00

587.35

1.04

0.45

283.18

586.50

586.85

1.03

0.42

296.79

586.00

586.35

1.02

0.42

298.81

585.50

585.85

1.03

0.43

290.33

585.00

585.35

1.04

0.46

272.08

584.50

584.85

1.06

0.51

246.21

584.00

584.35

1.08

0.56

216.84

583.50

583.85

1.11

0.63

189.42

583.00

583.35

1.13

0.69

161.50

582.50

582.85

1.14

0.75

140.46

582.00

582.35

1.15

0.79

127.86

580.00

580.35

1.13

0.76

131.34

578.00

578.35

1.05

0.52

235.51

576.50

576.85

1.02

0.54

214.80

576.00

576.35

1.02

0.53

215.96

575.50

575.85

1.00

0.52

221.88

575.00

575.35

0.98

0.49

231.05

574.50

574.85

0.96

0.45

251.00

574.00

574.35

0.94

0.41

278.42

573.50

573.85

0.90

0.36

309.33

573.00

573.35

0.88

0.32

338.15

572.50

572.85

0.86

0.30

355.95

572.00

572.35

0.87

0.31

344.21

571.50

571.85

0.89

0.35

307.32

571.00

571.35

0.92

0.43

256.95

570.50

570.85

0.96

0.53

202.22

570.00

570.35

1.01

0.63

157.93

569.50

569.85

1.04

0.73

116.56

569.00

569.35

1.06

0.82

86.11

568.50

568.85

1.08

0.88

67.20

568.00

568.35

1.09

0.93

51.03

566.00

566.35

1.09

1.01

26.68

564.00

564.35

1.08

1.02

18.38

562.00

562.35

1.06

1.02

14.42

560.00

560.35

1.04

1.01

12.69

558.00

558.35

1.03

0.99

12.59

556.00

556.35

1.00

0.97

10.80

554.00

554.35

0.98

0.95

10.35

552.00

552.35

0.96

0.93

10.57

550.00

550.35

0.94

0.91

10.41

根据以上数据，绘制钕玻璃的吸收曲线，得到下图。

通过实验数据以及吸收曲线，我们可以比较明显地发现钕玻璃的两个吸收峰，分别是

λ1=572.5nm,α1=298.81/m

λ2=586.0nm,α2=355.95/m

六、思考题

1、校对单色仪的波长示值为什么要用汞灯？

而测量吸收曲线为什么要用溴钨灯？

答：

校对单色仪波长示值时应当采用有确定辐射可见谱线的光源，汞灯在可见光谱有确定的404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0～579.0nm的可见