用小型棱镜摄谱仪测定光波波长

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

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。

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