大学物理实验单色仪的定标和光谱测量docx.docx

1、大学物理实验单色仪的定标和光谱测量docx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(sin H sin 0)=入因此当心9一定时，波长入与d成正比。几何光学的方向

2、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 A eb = - 9-(- 9b)，所以有9 = 2 9b - ，光栅方程式改 为：d(sin + sin(2 9b -妨)=入单色仪中等效会聚透镜的焦距 f=500mm光栅的面积644mm2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 = 500mm 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

3、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） 11、 光栅单色仪的定标 钠灯光谱Figure 1钠灯光谱主线系峰值数据： 1、589.000 2、589.625与标准值之间误差

4、： ？= =0.00%589 .0页3BY王有识? =0.004%-|589 .625-589 .6|Figure 2钠灯光谱锐线系峰值数据： 1 、615.413 2 、616.050与标准值之间误差： ？= =0.002%1615 413-615 .4|? 6154 =0.008%1616.050-616 ,0|2 = 616.0Figure 3钠灯光谱漫线系1页4 BY 王有识Figure 4钠灯光谱漫线系2峰值数据：1、497.812 2 、498.250与标准值之间误差:? = =0.006%1497.812-497 .78|? 49778 =0.01%|498 .250-498 .

5、2|2 = 498.22、 低压汞灯光谱测量Figure 5低压汞灯 黄光 强峰值数据：1、576.925 2 、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 579.07Figure 6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 、585.925ure 7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

6、.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88Figure 9红宝石晶体的吸收谱线峰值数据：1、361.8 330.00 2 、472.5 1864.0 3 、623.11477.0Figure 7红宝石晶体的吸收谱线背景峰值数据：1、479.3 2332.0借助于origin由图10及图

7、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，1.58 X 10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

8、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、463.750LED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

9、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50200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 1012瓦的LED光源发出的光能与一个 35150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

10、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210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

11、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

12、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“ an Wo 0.86=答： D ；fa an W） 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

13、分辨本领的测量和计算，原理和操作如下：K? f 二 SfaSf f - f f = ( 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。