光谱法测量透明介质的吸收曲线

#中国石油大学近代物理实验实验报告成绩班级：应物11-1姓名:史湘伟11093117同组者：石盼盼教师:闫向宏光谱法测量透明介质的吸收曲线【实验目的】1、了解光栅光谱仪的构造原理及其使用方法。2、加深对介质光谱特性的了解。3、掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。实验原理】当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板时，有一部分光被反射，另有一部分光被介质吸收剩下的光从介质平板透射出来。设有一束波长为九、入射光强为Io的单色平行光垂直入射到一块厚度为d的透明介质平板上,如图3-2-1所示。如果从界面1反射的光强为Ir，从界面1向介质透射光的光强为I1，在界面2处的入射光强为I2，从界面2射出的透射光的光强为It，则定义介质板的光谱外透射率T和介质的光谱透射率T'分别为3-2-1)i13-2-2)i1以上提到的I、I、I和I是指光在界面1和2上,以及在介质中多次反射和透射的总效果。12RT一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关我们将光谱透射率T与波长九的关系曲线称为透射曲线。依据朗伯-比耳定律，在均匀介质内部光谱i透射率T与介质厚度d有如下关系i3-2-3)式中a称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。吸收系数不仅与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。吸收系数a与波长九的关系曲线称为吸收曲线。设光垂直入射到厚度为d的介质上，光要从介质前后表面发生反射。如果a值很小，反射可以进行多次。若介质表面的反射系数为R，则透过样品的光强为I=I+I+I+I+•…TT1T2T3T43-2-4)—I(1—R丄e~ad+I(1—R丄R2e-3曲+I(1—R丄R4e-5曲+•・・0003-2-4)I\1-Rt2e-ad——0—1—R2e—2ad式中幕、】T2、IT3…分别表示从界面2第一次透射、第二次透射、第三次透射…的光的光强。所以G—R》e~ad1—2e_2ud3-2-5)通常介质的光谱透射率T和吸收系数a是通过测试由同一材料加工成的（a相同），表面性质i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d,d>d，光谱外透射分别为T和T。由(3-2-5)式可得22112Te-ad2》—R2e_2ad1<Te—a%、一R2e—2叫丿1一般R和a都很小，故上式可近似为T=e—a(d2-d1)13-2-6)lnT—lnTa=12d—d213-2-7)比较（3-2-6）式和（3-2-3）式，可得i3-2-8)实验中的WGD—8AA型光栅光谱仪采用光电倍增管（附录3-2-1）测量光谱的光强。在合适的条件下，光电倍增管输出的光电流与入射光的光强成正比，因而利用光电流的输出值，就可由下式计算光谱透射率和吸收系数ii-2i13-2-9)lni—lnia=12d—d213-2-10)式中i和i；分别表示试样厚度为*和d2时光电流的大小。【实验装置】WGD—8A型组合式光栅光谱仪；汞灯及汞灯电源；溴钨灯及溴钨灯电源；错钕玻璃3片（厚度分别为1mm和2mm）实验内容】1、光谱仪的调节和波长示值的修正2、测量镨钕玻璃在500~660nm之间的吸收曲线3、观察和测量错钕玻璃的典型吸收峰（300nm〜660nm）4、测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线【注意事项】1、实验中调整光路较为困难，要求必须仔细，动作要轻，严禁用手触摸镜面2、声光频移器及冷却铜块不得拆卸；3、各单元电路必须正常接线；4、切勿带电触摸激光器电源及电极；5、仪器使用完毕后，必须用防尘罩将其盖好；【数据记录及处理】1、光谱仪的调节和波长示值的修正汞灯标识值测量曲线：表1汞灯的四条谱线的波长记录表1234标准波长/nm432.8546.1577.0579.1实测波长/nm432.9543.3574.1576.22.观察和测量错钕玻璃的典型吸收峰（300nm~660nm）关闭汞灯，用溴钨灯换下汞灯，将溴钨灯直接安装在光谱仪入口狭缝（s1）前，并将待测的较薄（lmm）的一片错钕玻璃垂直放入样品室内，保持原有狭缝宽度不变，进行测量。较薄错铷玻璃300nm-660mm时吸收图：雖!]IWVUM辺I幵口3.测量错钕玻璃在500〜660nm之间的吸收曲线D0SSSSLss=■■□■■1La3t5工ftJESfifmffikfyncfi«弄止威lewoj2lni—lni12dlni—lni12d—d21T=亠a.・ii由于i1和表2错钕玻璃的典型吸收峰峰值九/nm1mm错铷玻璃2mm错铷玻璃Tia500175.8157.30.89480.111510148.5105.50.71040.342520160.2118.20.73780.304530118.262.50.52880.637540199.3168.00.8430.171550234.4222.70.95010.051560336.0300.90.89550.11057053.719.50.36311.01358050.811.70.23031.46859039.18.80.22511.491600132.870.30.52940.636610196.3149.50.76160.272620242.2234.40.96780.033630233.5222.70.95370.047640230.5222.70.96620.034650222.7218.80.98250.018660211.0207.10.98150.019图1较薄镨铷玻璃300nm-660mm时吸收峰值图1mm镨铷玻璃在500nm-660nm的吸收图：0®ttd.7atrictd)当苛激檢|66UWm劃很：：；：：，窗宁蹈Wk容：十叫.|SSlF■]rMKMMMMMracoco血OLOLOLCILOLl-li3333££23?Z3333-y30'■已叼Pl2■三国因■-I□凶因I匚三図因'■□凶因»DjM3M.0D口宫srad?口口宣口noReSTosn□edssiDNLJjf'■ATeTeF2mm镨铷玻璃在500nm-660nm的吸收图：'WD-Sa£參功能光•光诰位-J誰宜(ZEjx丈件密借息丿观Uli〕XfEffiJ读取霖協冈數据飪M池四羌于凹1打开打印蝕肖前笥存器萍品若称数j&dktj'WD-Sa£參功能光•光诰位-J誰宜(ZEjx丈件密借息丿观Uli〕XfEffiJ读取霖協冈數据飪M池四羌于凹1打开打印蝕肖前笥存器萍品若称数j&dktj9L*JtSff操作5E660.001*1系舐(SY=t£ili)茎類SB仏现J辭止潼66D.mnrpLOOU□ei<Io.o-工悴态二来集汝滋4^53因同风风hWK1冈风风白曰曰目目—■□□□■R1E3455ffl0：i550(ID)6WQ0筈EW诫芒fml□JLnr卅圜刨■■叵1BlHlBlBlBlHlDR-%虬丄亀玛知应型皿胡曲Tit77开跆*c密FO-EI遅鲁功能••4.测量吸光度与介质厚度之间的关系曲线表3吸收能量和介质厚度之间的关系数据表玻璃厚度d/mm能量E0814.71617.32531.43408.34399.55351.6根据公式A—lg-j0—2.303ad，可以计算出介质的吸光度。k

表4吸收度和介质厚度之间的关系数据表After4itsration%thAfter4itsration%th已fitconverged・■finalsumofsquaresofresiduals:6260947rel・changeduringlastiteration:・也37E呂皂一超09degreesoffreedomdegreesoffreedom(FIT_NDF)rmsofresiduals(FItZsTDFIT)=sqrt(WSSR/ndf)varianceofresiduals(redu匚皂dchisquare)=WSSR/ndf:0807692:0.00652367FinalsetofparametersAsymptoticStandardFinalsetofparametersAsymptoticStandardErrork=k=164866b=0„0792524+/-0-01931(11.71%)+/-0-65846(73.76%)玻璃厚度d/mm吸光度A0010.277520.427330.690840.712650.8403匚orrelationmatrixofthefitparameters:kbk1.006b・@„8261.600图2不同厚度镨铷玻璃与吸光度的关系曲线及其参数通过拟合,得到拟合直线斜率为0.165。由公式A=lg卜=2.303ad,可得a=2-36|=0.0716。JLk利用最小二乘法：

表5最小二乘法处理数据表nd/mmAdA2/mmA2Ad10000210.277510.2775320.427340.8546430.690892.0724540.7126162.8504650.8403254.2015n=6平均值2.50.4914179.1666671.7094a=25仝沁空4=0.0716(2.52-9.166667)/2.303rVSD-E逐爭功鎰ftifiiSi--佶"匚回］?.l'rH■-°.lLlL■:二"吋嗥rVSD-E逐爭功鎰ftifiiSi--佶"匚回］?.l'rH■-°.lLlL■:二"吋嗥1：.裂塔孟鳧il说"一世"：3.+：1：□Ha4冬3爾国逮抵運打开保再打弟预玉单糧玄規罡互停止as枱耒BI不同厚度镨铷玻璃在500nm-660nm的吸收图：fiiB(A和5?聲iDii&j工柞方式工柞厢囤魁如槪氏［別0gnm:间比回0P1n_^W00_^营昌昌昌目■I..I^W.iKnr.田卄:取*|r-T:二jA忒F7恫瞬y|曰画DR-£知%缶思考题】1、光谱仪波长示值的修正为什么要用汞灯？测量吸收曲线为什么要用溴钨灯？答：因为汞灯发出的光其波长值是不连续的，即汞灯的发光光谱其波长是几个固定的值，而且是已知的，可以利用其波长值进行标定。而溴钨灯发出的光气波长值是连续的，如图五所示，在不加玻璃片时它的波长在300~660nm都有分布，可以进行介质吸收光谱的研究。2、试讨论狭缝宽度对测量的影响。答：狭缝的宽度会影响光谱仪采集能量的多少，即影响能量幅度的高低。而光谱仪只能测量一定范围的能量值。如果狭缝太窄，则能量太小，也不易观察波峰；如果狭缝太宽，超出了光