單色儀的調(diào)整和使用單色儀的用途光譜學(xué)發(fā)展史單色儀的結(jié)構(gòu)和原理閃耀光柵的工作原理單色儀的入射和出射狹縫鈉原子的量子虧損和里德堡常數(shù)單色儀的調(diào)整和使用單色儀的用途1單色儀的用途從復(fù)色光源中提取單色光測(cè)量復(fù)色光源的光譜：研究目的—物質(zhì)的輻射特性，光與物質(zhì)的相互作用，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子分子能級(jí)結(jié)構(gòu)），遙遠(yuǎn)星體的溫度、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和方向。應(yīng)用范圍—采礦、冶金、石油、燃化、機(jī)器制造、紡織、農(nóng)業(yè)、食品、生物、醫(yī)學(xué)、天體與空間物理（衛(wèi)星觀(guān)測(cè)）等等。單色儀的用途從復(fù)色光源中提取單色光2光譜學(xué)發(fā)展史1、形成階段：1666年牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡太陽(yáng)光分解為七色光。1814年夫瑯和費(fèi)設(shè)計(jì)了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的吸收譜線(xiàn)（夫瑯和費(fèi)譜線(xiàn)）。2、研究室和應(yīng)用階段：1860年克希霍夫和本生為研究金屬光譜設(shè)計(jì)成較完善的現(xiàn)代光譜儀—光譜學(xué)誕生。由于棱鏡光譜是非線(xiàn)性的，人們開(kāi)始研究光柵光譜儀。光譜學(xué)發(fā)展史1、形成階段：1666年牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將3光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區(qū)受到材料的限制（光的波長(zhǎng)小于120nm，大于50m時(shí)不能用)光柵的角色散率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，棱鏡的角色散率與波長(zhǎng)有關(guān)。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(wèn)題而棱鏡沒(méi)有。光柵存在鬼線(xiàn)（由于刻劃誤差造成）而棱鏡沒(méi)有。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區(qū)受到材料的限制（光的波長(zhǎng)小于14單色儀的結(jié)構(gòu)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(tǒng)、分光系統(tǒng)和接收系統(tǒng)單色儀的結(jié)構(gòu)和原理PMTM2GM1S1：入射狹縫S2：5單色儀的照明系統(tǒng)光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）電火花、電?。娀鸹òl(fā)生器）、激光、高低壓氣體燈（鈉燈、汞燈等）、星體、太陽(yáng)單色儀的照明系統(tǒng)光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）6單色儀的接收系統(tǒng)—光電倍增管單色儀的接收系統(tǒng)—光電倍增管7光電倍增管的工作原理和使用注意事項(xiàng)利用光電子發(fā)射效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)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(hào)的檢測(cè)。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪音低。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作電壓高、體積大。使用光電倍增管應(yīng)當(dāng)了解它的特性，如它的頻率特性、時(shí)間特性、暗電流和噪聲特性，還有穩(wěn)定性及對(duì)環(huán)境的要求等。注意事項(xiàng)：（1）負(fù)高壓450伏（光電倍增管加的電壓為負(fù)高壓）先開(kāi)電源再開(kāi)高壓（關(guān)時(shí)一定要相反）。（2）一般在半小時(shí)后陽(yáng)極電流達(dá)到穩(wěn)定（暗電流）。（3）輸入光信號(hào)不可過(guò)強(qiáng)，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）。（4）為了盡可能降低噪聲在不使用光電倍增管的時(shí)候要擋住入射光。光電倍增管的工作原理和使用注意事項(xiàng)利用光電子發(fā)射效應(yīng)和二次電8單色儀的分光系統(tǒng)—矩形光柵單色儀的分光系統(tǒng)—矩形光柵9

入射光垂直矩形光柵時(shí)衍射光強(qiáng)的分布公式：

a為光柵透光部分的寬度，N為光柵的總周期數(shù)d為光柵的周期，為衍射角單縫衍射因子干涉因子入射光垂直矩形光柵時(shí)衍射光強(qiáng)的分布公式：a為光柵透光10單色光的光柵光強(qiáng)分布的曲線(xiàn)透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.02mm光柵的總條數(shù):N=4透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.03mm光柵的總條數(shù):N=100單色光的光柵光強(qiáng)分布的曲線(xiàn)透光縫寬:a=0.01mm透光縫寬11光柵方程式d為光柵周期，為入射角，為衍射角，m為衍射級(jí)次，為光的波長(zhǎng)。描述各個(gè)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(jí)次12光柵的色散原理分辨本領(lǐng)譜線(xiàn)的半角寬度光柵的角色散本領(lǐng)光柵的光譜分辨本領(lǐng)理論分辨本領(lǐng)計(jì)算實(shí)例：m=1,N=64mm1200/mm=76800光柵的色散原理分辨本領(lǐng)譜線(xiàn)的半角寬度光柵的角色散本領(lǐng)光柵的光13閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線(xiàn)方向N為光柵面法線(xiàn)方向?yàn)楣饩€(xiàn)的入射角為光線(xiàn)的衍射角

b

光柵的閃耀角-b

角度的符號(hào)規(guī)定（順時(shí)針為正）閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線(xiàn)方向N為光柵面法線(xiàn)14入射角與閃耀波長(zhǎng)的關(guān)系幾何光學(xué)的方向能量最大：m=1一級(jí)閃耀波長(zhǎng)為5o，10o,30o587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm入射角與閃耀波長(zhǎng)的關(guān)系幾何光學(xué)的方向能量最大：m=1一級(jí)閃耀15光強(qiáng)曲線(xiàn)光強(qiáng)曲線(xiàn)16單色儀狹縫寬度的討論1、設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點(diǎn)為獨(dú)立的點(diǎn)光源）。2、設(shè)狹縫為無(wú)限細(xì)，由衍射理論可知譜線(xiàn)的半寬度為：3、當(dāng)狹縫a逐漸變寬時(shí)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(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一17狹縫寬度與分辨率、譜線(xiàn)強(qiáng)度的關(guān)系由上圖可見(jiàn)縫寬過(guò)大時(shí)實(shí)際分辨率下降，縫寬過(guò)小時(shí)出射狹縫上得到光強(qiáng)太小，取a=an最好。a/anRI1狹縫寬度與分辨率、譜線(xiàn)強(qiáng)度的關(guān)系由上圖可見(jiàn)縫寬過(guò)大時(shí)實(shí)際分辨18鈉原子的光譜光譜公式（里德堡常數(shù)R）

主線(xiàn)系589.0nm/589.6nm銳線(xiàn)系616.0nm/615.4nm漫線(xiàn)系568.3nm/568.86nm497.78nm/498.2nm鈉原子的光譜光譜公式（里德堡常數(shù)R）19單色儀實(shí)際分辨率的測(cè)量波峰波的半高寬度分辨率單色儀實(shí)際分辨率的測(cè)量波峰20單色儀的調(diào)整和使用單色儀的用途光譜學(xué)發(fā)展史單色儀的結(jié)構(gòu)和原理閃耀光柵的工作原理單色儀的入射和出射狹縫鈉原子的量子虧損和里德堡常數(shù)單色儀的調(diào)整和使用單色儀的用途21單色儀的用途從復(fù)色光源中提取單色光測(cè)量復(fù)色光源的光譜：研究目的—物質(zhì)的輻射特性，光與物質(zhì)的相互作用，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子分子能級(jí)結(jié)構(gòu)），遙遠(yuǎn)星體的溫度、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和方向。應(yīng)用范圍—采礦、冶金、石油、燃化、機(jī)器制造、紡織、農(nóng)業(yè)、食品、生物、醫(yī)學(xué)、天體與空間物理（衛(wèi)星觀(guān)測(cè)）等等。單色儀的用途從復(fù)色光源中提取單色光22光譜學(xué)發(fā)展史1、形成階段：1666年牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡太陽(yáng)光分解為七色光。1814年夫瑯和費(fèi)設(shè)計(jì)了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的吸收譜線(xiàn)（夫瑯和費(fèi)譜線(xiàn)）。2、研究室和應(yīng)用階段：1860年克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俟庾V設(shè)計(jì)成較完善的現(xiàn)代光譜儀—光譜學(xué)誕生。由于棱鏡光譜是非線(xiàn)性的，人們開(kāi)始研究光柵光譜儀。光譜學(xué)發(fā)展史1、形成階段：1666年牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將23光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區(qū)受到材料的限制（光的波長(zhǎng)小于120nm，大于50m時(shí)不能用)光柵的角色散率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，棱鏡的角色散率與波長(zhǎng)有關(guān)。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(wèn)題而棱鏡沒(méi)有。光柵存在鬼線(xiàn)（由于刻劃誤差造成）而棱鏡沒(méi)有。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區(qū)受到材料的限制（光的波長(zhǎng)小于124單色儀的結(jié)構(gòu)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(tǒng)、分光系統(tǒng)和接收系統(tǒng)單色儀的結(jié)構(gòu)和原理PMTM2GM1S1：入射狹縫S2：25單色儀的照明系統(tǒng)光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）電火花、電弧（電火花發(fā)生器）、激光、高低壓氣體燈（鈉燈、汞燈等）、星體、太陽(yáng)單色儀的照明系統(tǒng)光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）26單色儀的接收系統(tǒng)—光電倍增管單色儀的接收系統(tǒng)—光電倍增管27光電倍增管的工作原理和使用注意事項(xiàng)利用光電子發(fā)射效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)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(hào)的檢測(cè)。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪音低。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作電壓高、體積大。使用光電倍增管應(yīng)當(dāng)了解它的特性，如它的頻率特性、時(shí)間特性、暗電流和噪聲特性，還有穩(wěn)定性及對(duì)環(huán)境的要求等。注意事項(xiàng)：（1）負(fù)高壓450伏（光電倍增管加的電壓為負(fù)高壓）先開(kāi)電源再開(kāi)高壓（關(guān)時(shí)一定要相反）。（2）一般在半小時(shí)后陽(yáng)極電流達(dá)到穩(wěn)定（暗電流）。（3）輸入光信號(hào)不可過(guò)強(qiáng)，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）。（4）為了盡可能降低噪聲在不使用光電倍增管的時(shí)候要擋住入射光。光電倍增管的工作原理和使用注意事項(xiàng)利用光電子發(fā)射效應(yīng)和二次電28單色儀的分光系統(tǒng)—矩形光柵單色儀的分光系統(tǒng)—矩形光柵29

入射光垂直矩形光柵時(shí)衍射光強(qiáng)的分布公式：

a為光柵透光部分的寬度，N為光柵的總周期數(shù)d為光柵的周期，為衍射角單縫衍射因子干涉因子入射光垂直矩形光柵時(shí)衍射光強(qiáng)的分布公式：a為光柵透光30單色光的光柵光強(qiáng)分布的曲線(xiàn)透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.02mm光柵的總條數(shù):N=4透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.03mm光柵的總條數(shù):N=100單色光的光柵光強(qiáng)分布的曲線(xiàn)透光縫寬:a=0.01mm透光縫寬31光柵方程式d為光柵周期，為入射角，為衍射角，m為衍射級(jí)次，為光的波長(zhǎng)。描述各個(gè)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(jí)次32光柵的色散原理分辨本領(lǐng)譜線(xiàn)的半角寬度光柵的角色散本領(lǐng)光柵的光譜分辨本領(lǐng)理論分辨本領(lǐng)計(jì)算實(shí)例：m=1,N=64mm1200/mm=76800光柵的色散原理分辨本領(lǐng)譜線(xiàn)的半角寬度光柵的角色散本領(lǐng)光柵的光33閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線(xiàn)方向N為光柵面法線(xiàn)方向?yàn)楣饩€(xiàn)的入射角為光線(xiàn)的衍射角

b

光柵的閃耀角-b

角度的符號(hào)規(guī)定（順時(shí)針為正）閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線(xiàn)方向N為光柵面法線(xiàn)34入射角與閃耀波長(zhǎng)的關(guān)系幾何光學(xué)的方向能量最大：m=1一級(jí)閃耀波長(zhǎng)為5o，10o,30o587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm入射角與閃耀波長(zhǎng)的關(guān)系幾何光學(xué)的方向能量最大：m=1一級(jí)閃耀35光強(qiáng)曲線(xiàn)光強(qiáng)曲線(xiàn)36單色儀狹縫寬度的討論1、設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點(diǎn)為獨(dú)立的點(diǎn)光源）。2、設(shè)狹縫為無(wú)限細(xì)，由衍射理論可知譜線(xiàn)的半寬度為：3、當(dāng)狹縫a逐漸變寬時(shí)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(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一37狹縫寬度與分辨率、譜線(xiàn)強(qiáng)度的關(guān)系由上圖可見(jiàn)縫寬