实验十四 用小型棱镜摄谱仪测定光波波长
我们知道物质的原子和分子都能够辐射和吸收自己的特征光谱。分析物质的辐射 或吸收光谱，就可以了解物质的组成和各成分的含量。由于光谱分析具有较高的灵敏 度，特别是对低含量元素的分析准确度较高，分析速度快。因此，它在科学实验和研 究中有着重要应用。 实验目的
１．了解棱镜摄谱仪的构造原理。
２．掌握棱镜摄谱仪的调节方法和摄谱技术。 ３．学会用照相法测定某一光谱线的波长。 实验仪器
玻璃棱镜摄谱仪，汞灯，氦—氖激光器，氦—氖辉光器，读数显微镜，暗室设备 等。 实验原理
１．棱镜摄谱仪的构造 （１）准直管
准直管由狭缝S1和透镜L1组成。S1位于L1的物方焦平面上。被分析物质发出的光射 入狭缝，经透镜L1后就成为平行光。实际使用中，为了使光源S射出光在S1上具有较大 的照度，在光源与狭缝之间放置会聚透镜L，使光束会聚在狭缝上。 （２）棱镜部分
主要是一个（或几个）棱镜P，利用棱镜的色散作用，将不同波长的平行光分解成 不同方向的平行光。 （３）光谱接收部分
光谱接收部分实际上就是一个照相装置。它包括透镜L2和放置在L2像方焦平面上的 照相底板F，透镜L2将棱镜分解开的各种不同波长的单色平行光聚焦在F的不同位置 上，如图5—14—1所示。由于透镜对不同波长光的焦距不同，当不同波长的光经L2聚 焦后并不分布在与光轴垂直的同一平面上，所以，必须适当地调整照相底板F的位置，
图5 — 14－1 L S P
1
L 2 L
F ( ) 1 1 F λ
1
S
( ) 2 2 F λ
方可清晰的记录各种波长的谱线。
( ) 1 1 F λ 、( )L 2 2 λ F 分别是波长为1
λ 和L 2
λ 的光所成的狭缝的像，叫做光谱线。
各条光谱线在底板上按波长依次排列就形成了被摄光源的光谱图。若光源辐射的波长
1
λ
、L 2
λ 等为分立值，则摄得的光谱线
也是分立的，叫做线光谱；若光源辐射 的波长为连续值，则摄得的是连续光 谱。
本实验用的小型玻璃棱镜摄谱仪， 可用来拍摄可见光区域的光谱。其结构 与图16—1所示的基本相同，但由于采用 恒偏棱镜代替三棱镜P，因此，它的照相 装置中光学系统的光轴与准直管的光轴 垂直如图5—14—2所示。 ２．摄谱仪的性能 （１）色散
色散代表仪器的分光能力，是衡量复色光经仪器色散后各单色光分散的程度。为 了得到质量较好的光谱，某一波长的谱线总是以最小偏向角的状态通过棱镜，由于不 同波长的谱线有不同的最小偏向角，所以可用角色散表示棱镜色散的特征（相差单位 波长的两谱线分开的角距离）。棱镜的角色散D为 （5―14―1）
实际应用时，常使用线色散D1来表示相差单位波长的两谱线在光谱面上分开的距 离
（5―14―3）式中，f2是 聚光透镜L2的焦距， ε 是底 片与垂直光轴平面的夹角。 显然，仪器的线色散数值越
P
－照相底版
－恒偏向棱镜 、－照相物镜 －狭缝 －准直管物镜 －光源 －会聚透镜 F P L L S L S L
2 3 1 1
大，不同波长两谱线中心分开的距离越远。 （２）分辨本领
仪器分辨本领是指在用摄谱仪摄取波长为λ 附近的光谱时，刚刚能分辨出两谱线
的波长差。用R 表示
λ λ d
R = （5―14―４）
该式中dλ 为能够分辨的两谱线波长差。显然dλ 值越小，摄谱仪分辨光谱的能力 越高。
根据瑞利判据，色散棱镜的理论分辨本领为
dλ
R = b dn （5―14―５）
在（5―14―5）式中， b 为棱镜底边的有效宽度。可见，要提高棱镜摄谱仪的光 谱分辨本领，必须选用高色散率的材料制作色散棱镜，且底边b 要宽。 （３）相对孔径
为了使照相底片上谱线能有较大的照度，缩短摄谱时间，在不计光通过摄谱仪系
统的光能损失时，谱线的照度E主要决定于进光狭缝的亮度B和照相物镜L2。当透光孔 径为D，焦距为f2时，相对孔径为D/ f2，即
2 ' 2
? ?? ? ? ?? ? ∝
f
E B D （5―14―6）
因此，要增加谱线的照度，可应用聚光照明系统，提高狭缝的亮度，并选用相对 孔径大的照相物镜。
本实验将使用小型棱镜摄谱仪，通过拍摄氦氖辉
光和氦氖激光的比较光谱，测定氦氖激光的波长。比 较光谱就是将已知波长的谱线组和待测波长的谱线组 并列记录在同一底片上，只要记录时，保持各谱线组 不发生横向移动，便可由辉光放电谱线的已知波长，
利用线性内插法，测知激光谱线的波长。 ３．拍摄光谱
用如图5—14—4所示的哈曼光阑遮光的方法拍摄比较光谱。它有三个方形小孔， 第一孔的下面一条边与第二孔的上 面一条边在同一直线上。光阑装在 摄谱仪的狭缝前，左右移动光阑， 可将其上的三条刻线中任意一条对 准狭缝外壳的边缘，这时，与该刻 线相对应的孔与狭缝相合。假如我 们先用第一孔拍摄已知波长的光谱 （如汞灯的光谱），移动光阑再用
图5 — 14－4 1 2 3 3 2 1
图5 — 14－5
1 2 3 x 1
λ λ λ λ
n 2 x n n
汞灯 氦? 氖激光 氦? 氖辉光
626 .6nm 1 λ = 633 .4nm 2 λ = 640 .2nm 3 λ =
第二孔拍摄待测光源（如氦氖—激光）的光谱，第三孔拍摄已知波长的光谱（如氦— 氖辉光的光谱），那么在冲洗好的照片底板上就得到三列光谱，两列已知光谱的谱线 与待测光谱的谱线在竖直方向恰好相衔接而又不相重叠，如图5—14—5所示。 ４．测量谱线波长
假设在图5—14—5中一个较小的波长范围内，摄谱仪棱镜的色散是均匀的，可以 认为谱线在底板上的位置与波长有线性关系，即
1 1 2 1 2 1
n n n n x
x
? ? = ?
λ ? λ λ λ
（5—14—7）
（5—14—7）式中， 1
λ 、2 λ （ 3
λ ）为已知谱线的波长，介于1 λ 与2
λ 之间的待测
谱线波长为x
λ ，它们在底板上的位置分别为1 n 、2 n 和x n 。所以，待测谱线的波长为 ( ) 2 1
2 1 1
1
λ λ λ ? λ
? ? = + n n n n x
x （5—14—8）
可见，只要在底板上测出谱线的位置1 n 、2 n 和x n ，就可用（5—14—8）式计算出 待测谱线的波长x
λ 。
实验内容
１．摄谱仪的调节
（１）调节共轴，将光源S 置于准直物镜1 L 的光轴上。
调节器时，先将汞灯点亮预热，竖直放置与入射缝等高，沿摄谱仪的底座导轨将汞 灯移远，从暗盒中央向摄谱仪内观察，调整光源的位置，使光源的像位于照相物镜2 L 的中央。此时，汞灯已位于1 L 的光轴上。
（２）在光源与狭缝1 S 之间加入聚光照明透镜L ，调节透镜L 的位置，使光源成 像在入射缝上。若更换光源，只能调整光源的位置，而透镜L 的位置不应变动，以保 证光源始终处在准直物镜1 L 的光轴上。