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一、 实验目的1、 了解单色仪的构造原理并掌握其使用；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3、 初步了解光电池的工作原理及其应用。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2，入射光强为/0的光垂直入射到一块厚度为d的介质平板设有一束波长为2，入射光强为/0的光垂直入射到一块厚度为d的介质平板所示。若从界面1射回的反射光的光强为1向介质内透射的光的光强为L，入射到的光强为，从界面2出射的透射光的光定义介质板的光谱外透射率T和介质的率片分别为：2单色平行上，如图1图5.—束光人射到平扳上IR，从界面界面2的光强为片，则光谱透射/T.=/

i/1这里，打，11，；2，片都应该是光在界面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。光谱透射率片与波长2的关系曲线称为透射曲线。在介质内部（假定内部无散射），光谱透射率片与介质厚度d有如下关系：T=eadi式中，G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G与波长2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宀2+*3叫+=/。(1—R)2£-ad+/。(1—R)2R2f-3ad+/。(1—R)2R4£-5ad+/。(1—R)2R6f—7ad+・・./(1—R)2£-ad=/(1—R)2£—ad(1+R2f—2ad+R4£—4ad+R6f—6ad+.・・)= 0 1—^26—2ad式中，匚，你…分别表示光从界面2第一次透射，第二次透射……的光的光强。所以上1 上2(1—R)2g-ad1—R2£—2ad通常，介质的光谱透射率T和吸收系数亿是通过测量由同一材料（Q相同）加工成的、表面i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d和d，dd，光谱外透射率分别为儿和场，则122112T2■T1f—ad2(1—R2f-2ad1)£-ad](1—R2£-2ad2)又一般R和a都很小，故上式可近似为T—2=£-a(d2-d1)1所以lnT—lnTn— 1 2d-d21综合以上TT.—半iT1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T.=-21 niT.=-21 nid2-d1其中，n1和“2分别表示式样厚度为久和〃2时微电流放大器上数字表的示值。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S］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，以产生各种波长的单色光；聚焦球面反射镜M2、平面反射镜M3及出射狭缝s2构成出射聚光系统，将光栅分出的单色光汇聚在出射狭缝S2上。图中汞灯卩用于单色仪的校准。溴钨灯F用于测量，溴钨灯的工作电流有恒流源控制。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S］上，然后投射到上。由于5；处在的焦平面上，因此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M2上,并经平面镜m3反射后成像于出射狭缝s2上。如果s2宽窄合适，不同波长的单色光就相继从s2射出。波长值可从单色仪的波长读数装置上读出。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.lnm之间，汞灯放入射狭缝前，S；、S2宽度调至2mm；2） 迎光观察S2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S0.2nm）。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S2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Sj使两谱线刚好分开，此时入射狭缝宽约0.8mm3） 调出射狭缝S2,转手轮K，使出缝宽度与谱线宽度相同，此时Sj、S2同宽，约0.8mm3．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d=30mm，焦距f=60mm，单色仪球面镜（准直镜）的光阑宽度D=50mm。成像规律遵守高斯公式。此外为使球面镜孔径D充分照明，应使£Db（二）测量钕玻璃在610・0nm-550・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。手轮K调到610.0nm，通过S2观察透镜像，移动透镜，使像位于缝中，缩透镜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34进行一次测量。测量范围610.0nm-550.0nm6．选择薄钕玻璃片，在与厚钕玻璃片波长相对应的位置测量7．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X=_0,35._nm真值/nm435.8546.1577.0579.1示值/nm436.1546.5577.3579.5偏差/nm0.30.40.30.42.测量钕玻璃在610・0nm-550・0nm范围内的吸收曲线实验数据记录如下表：尢（修正前）尢（修正后）n1n2a610.00610.351.501.3339.15608.00608.351.491.3532.87606.00606.351.481.3433.24604.00604.351.451.2840.91602.00602.351.421.2250.80600.00600.351.381.1660.29598.00598.351.351.0873.95

596.00596.351.280.89121.39594.00594.351.220.75160.95592.00592.351.220.80140.91590.00590.351.190.75154.55589.50589.851.180.71170.28589.00589.351.150.65191.14588.50588.851.120.59216.79588.00588.351.090.53239.10587.50587.851.060.48262.32587.00587.351.040.45283.18586.50586.851.030.42296.79586.00586.351.020.42298.81585.50585.851.030.43290.33585.00585.351.040.46272.08584.50584.851.060.51246.21584.00584.351.080.56216.84583.50583.851.110.63189.42583.00583.351.130.69161.50582.50582.851.140.75140.46582.00582.351.150.79127.86580.00580.351.130.76131.34578.00578.351.050.52235.51576.50576.851.020.54214.80576.00576.351.020.53215.96575.50575.851.000.52221.88575.00575.350.980.49231.05574.50574.850.960.45251.00574.00574.350.940.41278.42573.50573.850.900.36309.33573.00573.350.880.32338.15572.50572.850.860.30355.95572.00572.350.870.31344.21

571.50571.850.890.35307.32571.00571.350.920.43256.95570.50570.850.960.53202.22570.00570.351.010.63157.93569.50569.851.040.73116.56569.00569.351.060.8286.11568.50568.851.080.8867.20568.00568.351.090.9351.03566.00566.351.091.0126.68564.00564.351.081.0218.38562.00562.351.061.0214.42560.00560.351.041.0112.69558.00558.351.030.9912.59556.00556.351.000.9710.80554.00554.350.980.9510.35552.00552.350.960.9310.57550.00550.350.940.9110.41根据以上数据，绘制钕玻璃的吸收曲线，得到下图。通过实验数据以及吸收曲线，我们可以比较明显地发现钕玻璃的两个吸收峰，分别是入1=572・5nm, a1=298・81/m入2=586・0nm, a2=355.95/m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？答：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404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0〜579.0nm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，全谱范围内光谱连续且平滑，因此用于测量吸收曲线比较适合。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。答：入射狭缝的宽度越小则出射光的单色性越好，出射狭缝的宽度与出射光的单色性无关。3、 实际上，微电流放大器的显示值是钕玻璃片的光谱外投射率、光源的光谱能量分布和光电池的光谱响应诸因素综合作