大学物理实验单色仪的定标和光谱测量docx.docx
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实验题目：
单色仪的定标和光谱测量
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
如下图所示，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。
如下图所视，当入射光与光栅面的法线N的方向的夹角为©（见图）时，光栅的闪耀角为a取一级衍射项时，对于入射角为©而衍射角为e时，光栅方程式为：
d（sinHsin0）=入
因此当心9一定时，波长入与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Aeb=-9-（-9b），所以有9=29b-©，光栅方程式改为：
d（sin©+sin（29b-妨）=入
单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm
光栅的面积64>€4mm2
光栅的刻划密度为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：
an=0.86亦。
其中f为抛物镜的焦距，D是由
D
光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，实验中f=500mmD=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N为光栅的总线数，在本实验中N为64*200=76800,m为所用
的光的衍射级次，本实验中m二雹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。
实验数据及数据处理：
（数据以文本文档中为准）
■■»1
1、光栅单色仪的定标钠灯光谱
Figure1钠灯光谱主线系
峰值数据：
1、589.0002、589.625
与标准值之间误差：
？
？
==0.00%
589.0
页3
BY
王有识
?
?
=0.004%
-|589.625-589.6|
Figure2钠灯光谱锐线系
峰值数据：
1、615.4132、616.050
与标准值之间误差：
？
？
==0.002%
1615413-615.4|
?
?
—6154=0.008%
1616.050-616,0|
2=616.0
Figure3钠灯光谱漫线系1
页4BY王有识
Figure4钠灯光谱漫线系2
峰值数据：
1、497.8122、498.250
与标准值之间误差:
?
?
==0.006%
1497.812-497.78|
?
?
49778=0.01%
|498.250-498.2|
2=498.2
2、低压汞灯光谱测量
Figure5低压汞灯黄光强
峰值数据：
1、576.9252、579.050
与标准值之间误差：
?
?
==0.006%
1576.925-576.96|
?
?
576・96=0.003%
|579.050-579,07|
2二579.07
Figure6低压汞灯蓝绿光强
峰值数据：
1、491.637
与标准值之间误差：
？
？
二=0.008%
|491.637-491.60|
峰值数据：
1、585.925ure7低压汞灯2黄光589.000
与标准值之间误差：
?
?
==0.0009%
1585.925-585.92|?
?
—585.92=0.003%
1589.000-589.021
本组实验由于测蓝绿光的弱光谱，而实验环境中并不是完全黑暗,
难免会有光对实验产生干扰，所以实验所得的图像很不理想，但是还是可以分辨出波峰。
并且数据分析表明所得的结果与标准值相差不是很大，因此可以认为实验是有效的
3、红宝石晶体的发射和吸收光谱测量
峰值数据：
1、692F87&8红宝石晶体的发射谱88
Figure9红宝石晶体的吸收谱线
峰值数据：
1、361.8330.002、472.51864.03、623.1
1477.0
Figure7红宝石晶体的吸收谱线背景
峰值数据：
1、479.32332.0
借助于origin由图10及图9横坐标对应的纵坐标相减得的被吸收的
谱线如下图11
个
图11合成红宝石吸收光谱
结论：
由图可以看出红宝石对波长为428.5nm和549.2nm左右
的光吸收最为明显。
红宝石晶体的发光原理：
红宝石晶体的基质是AI2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的
Gr2O3。
Cr3+密度约为，1.58X10厘9米3。
Cr3+在晶体中取代AI3+位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。
在氦氖灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了氦氖灯发射的光子而
被激发到E3能级。
大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2,
处于亚稳态E2的离子跃迁到基态E1时辐射出光，这就是红宝石的发光原理。
红宝石的应用：
红宝石激光器是医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪
器设备。
4、LED光谱的测量
峰值数据：
1、463.750
LED灯发光的工作原理:
LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED的核
心部分是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负
极，另一端是连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5
个周期的量子阱。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空
穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子
的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
LED灯发光的应用:
LED灯能让很小的通过电流几乎全部转化成可见光。
LED灯具有以下优点：
一、高光效LED光效达50〜200流明/瓦，光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。
二、高节能具有电压低、电流小、亮度高的特性。
一个10〜
12瓦的LED光源发出的光能与一个35〜150瓦的白炽灯发出的光能相当。
同样照明效果LED比传统光源节能80%〜90%。
三、光色多可以选择白色或彩色光，红色、黄色、蓝色、绿色、
黄绿色、橙红色等。
四、安全性高LED光源使用低电压驱动，发光稳定，无污染，没有50HZ频闪，没有紫外线B波段，白色色温5000K,最接近太阳色温5500K。
五、寿命长LED利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加
环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击，LED单管寿命10万小时，
光源寿命在2万小时以上，按每天工作12小时寿命也在5年以上。
六、快速响应LED发光管响应时间很短。
采用专用电源给LED
光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。
七、运行成本低其他光源不仅耗电是LED光源的2~10倍，而且几乎每月都要更换，在器件更换和人工方面的花费很大。
因此选用使用寿命长的LED光源从长远看非常经济。
更具以上优点，它可以作为照明设备应用于各行各业的照明工作中，
而且具有绝对的优越性。
实验小结：
1、在实验开始时，应估计好狭缝的宽度，以便更方便的找到吸收光谱；
2、在实验进行中，应该关闭其他用不到的光源，一个原因是要防止光源发出的光对实验光源产生干扰，另一个原因是光源本身是有一定寿命的，减少其点亮时间以延长期使用期限；
3、在开始实验时，在没有关灯的情况下是不可以加电压的，是为了防止损坏光倍增管，在关灯后才可以加电压；
4、实验中最重要的就是光路的调节，调节时要细心并且耐心，在必要的时候，可以用一张白纸放置于狭缝处以便调整透镜来聚光；
5、实验中，为了更快的验证光路是否调整正确，可以先用粗分辨率进行扫描，有时也可以把扫描区间设置的小一些，这样可以有效提高实验效率；
思考题：
1、说明钨灯、钠灯和汞灯的光谱的区别和道理？
答：
可以看出钨灯的光谱是比较连续的，并且范围很大，而钠灯和汞灯的光谱则是分立的；
原因，可能是因为钠灯和汞灯是高温气体产生光的，而钨灯则是
靠高温固体发光。
2、如何求出入射狭缝的最佳宽度？
入f
“anWo0.86=
答：
D；
f
aanW）0.86—
当D时最佳（D为光栅的宽度，f为等效会聚透
镜的焦距）
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R=入=mN计算：
m为干涉级次,d入
m=1,N为光栅的总线条数。
实际分辨本领的测量和计算，原理和操作如下：
K
?
f二Sf
a
Sff-ff=（f+f）/2
测出a和bo测出f和f的粗略值，再测出精确的f和f的值和半峰。
由以上公式计算出实际分辨本领。
4、比较单色仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两者差别大的原因?
答：
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，实际的谱线半角宽度
远远大于理论值。
所以实际会比理论的小。
5、解释光电倍增管的工作原理，为什么随着副高压的绝对值越大，采集的灵敏度会显著提高？
答：
光电倍增管的基本结构和工作原理如下：
当光子打到光电倍增管（简称GDB的光电阴极K上时，由于光电效应会产生一些光电子，这些光电子在光电倍增管中的电场作用下飞向阳极A,在阴极
K和阳极A之间还有n个电极（D1—Dn）叫做倍增极，极间也有一定的电压（几十到百伏），在极间电压的作用下飞向阳极A的光电子被一级一级的加速，在加速的过程中它们以高速度轰击倍增极，使倍增
极产生二次电子发射，这样就使得电子的数目大量增加，并逐极递增，
最后到达阳极的电子就会很多，形成很大的阳极电流，由于倍增极的
倍增因子基本是常数，所以当光信号变化时，阴极发射的电子的数目也随之变化，从而阳极电流也随着光信号发生变化。
这样光电倍增管
就可以反映光强随时间的变化。
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