单色仪的定标和光谱测量课件

单色仪的定标和光谱测量

MonochromatorExperiments三级物理实验单色仪的定标和光谱测量

MonochromatorExpe1内容简介单色仪的用途光谱学发展史简介单色仪的结构和原理闪耀光栅的工作原理单色仪的入射和出射狭缝钠灯、He-Ne激光器、ＬＥＤ灯、汞灯的光谱测量滤光片的吸收特性光谱测量红宝石吸收和发射光谱测量，罗丹明6G溶液的发光和吸收光谱测量内容简介单色仪的用途2单色仪的用途从复色光源中提取单色光测量复色光源的光谱：研究目的—物质的辐射特性，光与物质的相互作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远星体的温度、质量、运动速度和方向。应用范围—采矿、冶金、石油、燃化、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理（卫星观测）等等。单色仪的用途从复色光源中提取单色光3光谱学发展史简介1、形成阶段：1666年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。2、研究室和应用阶段：1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光谱学发展史简介1、形成阶段：4光栅与棱镜相比棱镜的工作光谱区受到材料的限制（光的波长小于120nm，大于50m时不能用)光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率与波长有关。棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没有。优点缺点光栅与棱镜相比棱镜的工作光谱区受到材料的限制（光的波长小于15单色仪的结构和原理PMTM2GM1S1：入射狭缝S2：出射狭缝M1：离轴抛物镜G：闪耀光栅M2：反光镜PMT：光电倍增管

S1S2图1三部分—光源和照明系统、分光系统和接收系统单色仪的结构和原理PMTM2GM1S1：入射狭缝S26单色仪的照明系统光源：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳单色仪的照明系统光源：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）7单色仪的接收系统—光电倍增管单色仪的接收系统—光电倍增管8光电倍增管工作原理利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。光电倍增管工作原理利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的9光电倍增管使用注意事项负高压可达900伏（光电倍增管加的电压为负高压）先开电源，打开测量软件后，设定测量参数，根据测量要求再调节负高压（关时一定要先关软件，再关电源）。一般在半小时后阳极电流达到稳定（暗电流）。输入光信号不可过强，光阴极面不可直接暴露在光照下（特别是在加了电压的情况下，否则将烧毁光电倍增管）。为了尽可能降低噪声在不使用光电倍增管的时候要挡住入射光。光电倍增管使用注意事项负高压可达900伏（光电倍增管加的电压10单色仪的分光系统—矩形光栅单色仪的分光系统—矩形光栅11入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：

单缝衍射因子干涉因子a为光栅透光部分的宽度，N为光栅的总周期数d为光栅的周期，为衍射角入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：单缝衍射因子12单色光的光栅光强分布的曲线透光缝宽:a=0.01mm光栅周期:d=0.02mm光栅的总条数:N=4透光缝宽:a=0.01mm光栅周期:d=0.03mm光栅的总条数:N=100单色光的光栅光强分布的曲线透光缝宽:a=0.01mm透光缝宽13光栅方程式d为光栅周期，为入射角，为衍射角，m为衍射级次，为光的波长。描述各个干涉因子主极大的位置光栅方程式d为光栅周期，为入射角，为衍射角，m为衍射级次14光栅的色散原理分辨本领谱线的半角宽度光栅的角色散本领光栅的光谱分辨本领理论分辨本领计算实例：m=1,N=64mm1200/mm=76800光栅的色散原理分辨本领谱线的半角宽度光栅的角色散本领光栅的光15闪耀光栅的原理-nNbn为刻槽面法线方向N为光栅面法线方向为光线的入射角为光线的衍射角

b

光栅的闪耀角-b

角度的符号规定（顺时针为正）闪耀光栅的原理-nNbn为刻槽面法线方向N为光栅面法线16入射角与闪耀波长的关系几何光学的方向能量最大：m=1一级闪耀波长为5o，10o,30o587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm入射角与闪耀波长的关系几何光学的方向能量最大：m=1一级闪耀17光强曲线光强曲线18单色仪狭缝宽度的讨论1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源）。2、设狭缝为无限细，由衍射理论可知谱线的半宽度为：3、当狭缝a逐渐变宽时的变化如下图所示：

a/anw0狭缝的最佳宽度单色仪狭缝宽度的讨论1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一19狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系由上图可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取a=an最好。a/anRI1狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系由上图可见缝宽过大时实际分辨20实验内容光栅单色仪的定标高压汞灯光谱测量红宝石晶体的发射和吸收光谱测量滤光片的吸收曲线测量罗丹明6G溶液的发射和吸收曲线测量蓝色LED灯测量（400-550nm）实验内容光栅单色仪的定标21光栅单色仪的定标

―――钠灯光谱589.0nm589.6nm光栅单色仪的定标

―――钠灯光谱589.0nm589.622钠原子的光谱光谱公式（里德堡常数R）主线系589.0nm/589.6nm锐线系616.0nm/615.4nm漫线系568.3nm/568.86nm497.78nm/498.2nm钠原子的光谱光谱公式（里德堡常数R）23高压汞灯光谱测量高压汞灯光谱测量24颜色波长/nm强度紫色△404.66强△407.78中410.81弱433.92弱434.75中△435.84强蓝绿色△491.60强△496.03中绿色535.41弱536.51弱△546.07强567.59弱黄色△576.96强△579.07强585.92弱589.02弱橙色△607.26弱△612.33弱红色△623.44中深红色△671.62中△690.72中708.19弱汞灯的主要发射谱线颜色波长/nm强度紫色△404.66强△407.78中41025单色仪实际分辨率的测量波峰波的半高宽度分辨率单色仪实际分辨率的测量波峰26红宝石晶体的发射和吸收谱线694.3nm692.8nm红宝石晶体的发射和吸收谱线694.3nm692.8nm27滤光片的吸收曲线滤光片的吸收曲线28罗丹明6G溶液的发射和吸收光谱测量罗丹明6G溶液的发射和吸收光谱测量29LED灯的光谱测量LED灯的光谱测量30实验的难点和重点光源位置和光路设计与调整；狭缝的宽度确定和调整负高压值的选取实验的难点和重点光源位置和光路设计与调整；31【注意事项】入射狭缝与出射狭缝可微调汞灯在测量10分钟前打开预热稳定，测量结束后立刻关闭尽量避免强光直接入射到单色仪中以免损伤光电倍增管，负高压不得超过90