用单色仪测定介质的吸收曲线

用单色仪测定介质的吸收曲线 核 51 粟鹏文 2015011744 一 实验目的 1 了解光谱测量基本仪器 光栅单色仪的基本构造并掌握其使用方法 2 加深对介质光谱特性的了解 掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法 二 实验原理 当一束光入射到有一定厚度的介质平板上时 有一部分被反射 另有一部分光被介质吸收 剩下的光以介质 板透射出来 设有一束波长为 入射光强为 0 的单色平行光垂直入射到一块厚度为 d 的介质平板上 如图 1 所示 若从界面 1 射回的反射光的光强为 从界面 1 向介质内透射的光的光强为 1 入射到界面 2 的光 的光强为 2 从界面 2 出射的透射光的光强为 则定义介质板的光谱外透射率 和介质的光谱透射率 分 别为 0 2 1 这里 1 2 都应该是光在界面 1 和 2 上以及介质中多次反 透射的总效果 通常 介质对光的反射 透射和吸收不但与介质有关 而且与入射光的波长有关 这里为简单起见 对以上 及以后的各个与波长有关的量都省略波长标记 但都应理解为广谱量 光谱透射率 与波长 的关系曲线称 为透射曲线 在介质内部 假定内部无散射 光谱透射率 与介质厚度 d 有如下关系 d式中 称为 介质的线性吸收系数 一般也称为吸收系数 它不仅与介质有关 而且与入射光的波长有关 吸收系数 与 波长 的关系曲线称为吸收曲线 设光在单一界面上的反射率为 R 则透射光的光强为 1 2 3 4 0 1 2 0 1 2 2 3 0 1 2 4 5 0 1 2 6 7 0 1 2 1 2 2 4 4 6 6 0 1 2 1 2 2 式中 I T 1 I T 2 分别表示光从界面 2 第一次透射 第二次透射 的光的光强 所以 0 1 2 1 2 2 通常 介质的光谱透射率 和吸收系数 是通过测量由同一材料 相同 加工成的 表面性质相同 R 相同 但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得出的 设两块试样的厚度分别为 和 光谱外透射率分 别为 T 1 和 T 2 则 2 1 2 1 2 2 1 1 1 2 2 2 又一般 R 和 都很小 故上式可近似为 2 1 2 1 所以 1 2 2 1 综合以上 2 1 本实验中采用光电池和微电流放大器测量光强 合适条件下 光电池输出的光电流与照射到它表面的光的 光强成正比 光电流经由微电流放大器后由数字表直接显示其数值 从而计算光谱透射率和吸收系数 即 2 1 1 2 2 1 其中 和分别表示式样厚度为和时微电流放大器上数字表的示值 1 2 1 2 三 实验装置 图 2 是实验装置示意图 本实验中使用单色仪为 WDM1 型光栅单色仪 它的光学系统由三部分组成 入射 狭缝和准直球面反射镜构成入射准直系统 以产生平行光束 反射光栅 G 为色散元件 以产生各种波 1 1 长的单色光 聚焦球面反射镜 平面反射镜及出射狭缝构成出射聚光系统 将光栅分出的单色光汇 2 3 2 聚在出射狭缝上 图中汞灯 P 用于单色仪的校准 溴钨灯 F 用于测量 溴钨灯的工作电流有恒流源控制 2 自制的微电流放大器由高精度运放与数字显示组成 会聚透镜 L 将光源 F 发出的白光会聚到入射狭缝上 然后投射到上 由于处在的焦平面上 因此 1 1 1 1 的反射光成为平行光 此平行光经光栅 G 衍射后分成一系列衍射方向不同的各种波长的单色平行光 由 1 于光栅装置是与单色仪的传动机构相连的 因此当转动调节手轮 K 时 可使光栅旋转 让不同波长的单色 平行光相继投射到聚焦球面反射镜上 并经平面镜反射后成像于出射狭缝上 如果宽窄合适 不 2 3 2 2 同波长的单色光就相继从射出 波长值可从单色仪的波长读数装置上读出 2 本实验实际操作过程中 样品插放在入射狭缝前 由 2 块并排摆放的宽为 4mm 厚度为 0 8mm 2 8mm 的钕 玻璃组成 四 实验任务及注意事项 一 单色仪的调节和波长示值的校准 1 利用汞灯作为光源校准单色仪的波长示值 1 波长读数装置转到 577 0nm 579 1nm 之间 汞灯放入射狭缝前 S 1 S 2 宽度调至 2mm 2 迎光观察 S 2 上汞的黄色谱线 用显微镜对准出射狭缝 关小入射狭缝使两谱线分开至较细即可 3 关小出射狭缝 同时微动手轮 是一条谱线在缝中间 使狭缝与谱线同宽 读单色仪示值 4 转手轮 K 读下一条谱线 5 检查测量值与标准值 435 8nm 546 1nm 577 0nm 579 1nm 之差 即仪器系统偏差 要求 0 2nm 2 调节狭缝宽度 1 按步骤 1 中 1 重新调节狭缝宽度 2 迎光观察 S 2 上汞的两条黄色谱线 用显微镜对准出射狭缝 调节入射狭缝 S 1 使两谱线刚好分开 此 时入射狭缝宽约 0 8mm 3 调出射狭缝 S 2 转手轮 K 使出缝宽度与谱线宽度相同 此时 S 1 S 2 同宽 约 0 8mm 3 调节溴钨灯光 如图 3 将光源聚焦成像在狭缝前 聚光镜通过光孔径 焦距 单色仪球面镜 准直镜 30 60 的光阑宽度 成像规律遵守高斯公式 50 此外为使球面镜孔径 D 充分照明 应使 二 测量钕玻璃在 610 0nm 508 0nm 范围内的吸收曲线 用溴钨灯作光源并进行共轴调节 使外光路光轴与单色仪光轴重合 避免光线斜入射造成光能损失 1 手轮 K 调到 610 0nm 通过观察透镜像 移动透镜 使像位于缝中 缩透镜 2 2 左右移动溴钨灯使像全亮 放样品架 B 记录无样品及薄 厚样品在狭缝中间时的位置 3 装探测器 打开微电流放大器 微动溴钨灯 使放大器示值最大 4 调灯丝电流 使使放大器示值在 1700 1900 之间 5 选定厚钕玻璃片 定性观察钕玻璃对不同波长的吸收情况 确定吸收峰大致波长位置 正式测量时 每 隔 1nm 测一次 吸收峰附近测量点应更密一些 每隔进行一次测量 测量范围 610 0nm 508 0nm 3 6 选择薄钕玻璃片 在与厚钕玻璃片波长相对应的位置测量 根据两组数据 求钕玻璃的吸收系数曲线 五 数据处理以及误差分析 1 单色仪的调节和波长示值的校准 0 15 nmx 真值 nm579 1577 0546 1435 8 示值 nm578 9576 8546 0435 7 偏差 nm0 20 20 10 1 2 测量钕玻璃在 610 0nm 550 0nm 范围内的吸收曲线 计算 x 可得 180 90 实验数据记录如下表 波长显示值 nm 610608606604602600598 厚玻璃片1 6061 6221 6341 5851 5121 4411 372 薄玻璃片1 6871 6781 6661 6411 6051 5751 541 吸收系数 mm 0 0164020 0113140 0064650 0115740 0198970 0296390 038721 波长修正值 nm 610 15608 15606 15604 15602 15600 15598 15 596594592590589588 5588587 5 1 2220 9680 9130 9580 9150 8620 8050 723 1 4811 3911 3631 3641 3341 3211 2911 257 0 0640760 1208490 1335690 1177760 1256710 1422960 1574430 184358 596 15594 15592 15590 15589 15588 65588 15587 65 587586 5586585 5585584 5584583 5 0 6460 5770 5290 4980 4960 5180 5610 618 1 2251 1921 1651 1511 1441 1491 1641 19 0 2132990 2418490 2631630 2792620 278570 2655570 2432990 218407 587 15586 65586 15585 65585 15584 65584 15583 65 583582 5582581 5581580578576 0 6830 7620 8310 8960 9450 9790 8250 656 1 2151 2361 2581 2791 2961 2971 2331 155 0 1920010 161230 1382160 1186310 1052840 0937590 1339410 188565 583 15582 65582 15581 65581 15580 15578 15576 15 575 5575574 5574573 5573572 5572 0 6440 630 6090 5770 5280 4750 420 375 1 1471 1381 1271 1071 0791 0471 0160 98 0 1924020 1971030 2051650 2171890 2382310 2634560 2944580 320209 575 65575 15574 65574 15573 65573 15572 65572 15 571 4571570 5570569 5569568 5568 0 3490 3580 4120 4910 6140 7360 8560 975 0 9650 970 9881 0331 0761 1231 1631 193 0 3390190 3322540 2915530 2479260 1870040 1408430 1021630 067263 571 55571 15570 65570 15569 65569 15568 65568 15 567 5566564562560558556554 1 0651 2061 2461 2491 2361 2211 2011 179 1 2181 2431 2351 221 21 181 1581 135 0 0447450 010073 0 00296 0 00783 0 00985 0 01139 0 01215 0 01268 567 65566 15564 15562 15560 15558 15556 15554 15 552550 1 1541 134 1 1161 091 0 01116 0 01289 552 15550 15 根据以上数据 绘制钕玻璃的吸收曲线 得到下图 两个吸收峰分别在 1 571 55nm 2 585 15nm 六 思考题 1 校对单色仪的波长示值为什么要用汞灯 而测量吸收曲线为什么要用溴钨灯 校对单色仪波长示值时应当采用有确定辐射可见谱线的光源 汞灯在可见光谱内有确定的 579 1nm 577 0nm 546 1nm 435 8nm 的可见谱线 因此使用汞灯可以帮助实验者确定单色仪的偏差 溴钨灯光效高 寿命长 光色更好 使用和维护简单 具有很高的输出稳定度 光谱覆盖范围宽 背反射镜设 计结构 可以提高 50 以上的光使用效率 全谱范围内光谱连续且平滑 因此对于此实验比较适合 2 试讨论单色仪的入射狭缝和出射狭缝的宽度对出射光单色性的影响 狭缝的宽度越小则出射光线单色性越好 但是宽度过小也存在着入射光线或出射光线亮度不够使得观察困 难的问题 因此出射狭缝的宽度要求恰好可以观察到谱线 一般单色入射准直系统与出射准直系统的相对孔径是一样的