大學(xué)物理實驗2光柵光譜儀的使用深圳大學(xué)物理實驗教學(xué)中心實驗背景

1666年，牛頓通過三棱鏡，發(fā)現(xiàn)太陽光經(jīng)三棱鏡折射后，呈現(xiàn)彩色光，稱為光的色散。1814年，夫瑯和費采用狹縫在研究玻璃對各種顏色光發(fā)折射率時偶然發(fā)現(xiàn)了燈光光譜中的橙色雙線，在1822年用鉆石刻刀在玻璃上刻劃細(xì)線的方法制成了衍射光柵。本生與基爾霍夫在19世紀(jì)60年代發(fā)展起實用光譜學(xué)，他們系統(tǒng)地研究了多種火焰光譜和火花光譜，并指出，每一種元素的光譜都是獨特的，并且只需極少里的樣品便可得到。1859年，他們研制出了第一臺實用的光譜儀。1、光譜學(xué)的基礎(chǔ)知識；2、了解光柵光譜儀的工作原理；3、掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行光譜測量的技術(shù)。一、實驗?zāi)康亩?、實驗原?2.1光譜的產(chǎn)生和分析光譜的產(chǎn)生：因電子的能級變化而放出或吸收能量，包括躍遷、轉(zhuǎn)動、振動等；光譜的分析：定性分析和定量分析。二、實驗原理/2.2光柵方程對同一衍射級數(shù)，波長不同衍射角就不同，從而產(chǎn)生色散。光譜儀通過對衍射角的測量來確定光源的波長。（1）二、實驗原理/2.3光柵的兩個重要特性分辨本領(lǐng)：角色散：角色散描述了分光元件將光譜散開能力的大小光柵刻痕N、光譜級數(shù)k越大，分辨本領(lǐng)R就越大，可分辨的△λ越?。?）（3）二、實驗原理/2.4光柵的選擇選擇的原則：在能達(dá)到實驗?zāi)繕?biāo)的前提下，盡可能提升實驗效果和降低誤差。需要考慮的因素：光柵閃耀波長，測量范圍和分辨率（光柵刻線），還需考慮實驗經(jīng)費。三、實驗光路光譜儀的實驗光路如左圖所示。待測光線從入射狹縫S1進(jìn)入，經(jīng)準(zhǔn)直球面反射鏡M1反射后變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)光柵G衍射后，由聚焦球面反射鏡M2匯聚到出射狹縫S2（光電倍增管）或S3（CCD）。儀器結(jié)構(gòu)如右圖所示。S1S2S3M1M2G四、實驗步驟/4.1實驗設(shè)置1、將汞燈下端銅柱對準(zhǔn)入射狹縫下的銅柱保證高度一致2、將出入射狹縫調(diào)節(jié)至0.1-0.2mm3、確保電控箱的負(fù)高壓旋鈕逆時針旋至最小值。注意：使用光電倍增管時，一定不要在光電倍增管加有高壓的情況下，暴露于自然光或任何強(qiáng)光下，否則將使倍增管壽命減小、靈敏度降低，甚至損壞倍增管。

確認(rèn)光譜儀已經(jīng)正確連接并打開電源。執(zhí)行光柵光譜儀的操作程序。若復(fù)位異常，請檢查電控箱電源開關(guān)與USB接線，確認(rèn)開關(guān)打開接線正常后，根據(jù)系統(tǒng)提示重新復(fù)位，即進(jìn)入儀器系統(tǒng)復(fù)位。

復(fù)位時間約5-7分鐘。四、實驗步驟/4.2開機(jī)與系統(tǒng)復(fù)位1、將負(fù)高壓調(diào)節(jié)至240左右，點擊光譜掃描。2、掃描完成后，點擊峰值檢索，系統(tǒng)將當(dāng)前圖譜中一定范圍內(nèi)的峰值檢索出來。3、在對話框中輸入系統(tǒng)值與實際波長值的差值，點擊確定即可。四、實驗步驟/4.3波長校準(zhǔn)汞譜線404.7nm435.8nm546.1nm577.0nm579.0nm1、將鎢燈放置在入射狹縫處，將負(fù)高壓調(diào)節(jié)至240~260左右，點擊光譜掃描。2、掃描完成后，點擊數(shù)據(jù)處理，點擊檢索數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)列表，然后右鍵復(fù)制所有數(shù)據(jù)（指讀當(dāng)前圖譜文件所有的強(qiáng)度數(shù)據(jù)檢索并將結(jié)果顯示出來），導(dǎo)入至EXCEL中。3、保存文件后裝入玻璃片，然后重復(fù)4.1和4.2步驟。4、當(dāng)系統(tǒng)測試結(jié)束后，將入射狹縫調(diào)節(jié)至0.1mm左右，將電控箱的負(fù)高壓旋鈕逆時針旋至最小值。點擊菜單欄中“文件\退出系統(tǒng)”，按照提示關(guān)閉電源退出儀器操作系統(tǒng)。四、實驗步驟/4.4測量四、實驗步驟/4.5重要參數(shù)的選擇1、狹縫寬度的選擇

寬度小可以提高譜線精度，但會影響信號強(qiáng)度。實驗中根據(jù)光源強(qiáng)度、待測樣品性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗，在確保檢測信號強(qiáng)度前提下，盡可能減小狹縫寬度。參考值0.2mm附近。在同組實驗中，狹縫寬度保持一定。2、負(fù)高壓大小的選擇負(fù)高壓太小影響檢測強(qiáng)度，太大影響光電倍增管靈敏度和壽命。實驗中根據(jù)光源強(qiáng)度、待測樣品性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗，在確保檢測信號強(qiáng)度前提下，盡可能減小負(fù)高壓。此項可與狹縫寬度綜合考慮。參考值240V附件。在同組實驗中，負(fù)高壓保持一定。3、波長校準(zhǔn)范圍的選擇

由于光柵的測量范圍有限，并且不同的光柵范圍不同，在進(jìn)行波長校準(zhǔn)時不能做到線性校準(zhǔn)，而是只能校準(zhǔn)一個范圍。所以波長校準(zhǔn)時在實驗需要波長的附件，選擇一條或多條標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)改變測量范圍時，校準(zhǔn)范圍也相應(yīng)改變。四、實驗步驟/4.5重要參數(shù)的選擇四、實驗要求1、打印汞燈校準(zhǔn)譜線，標(biāo)示波長。2、在同一坐標(biāo)下作出放置玻璃片前后的鎢燈譜線圖，并做透過率對比（選擇3-5