近代物理实验讲义 实验9光栅光谱仪相关实验 光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来自对各种 原子光谱的研究。通过光谱研究，可以得到所有研究物质中含元素的组分和原子内部的能级结构 及相互作用等方面的信息。在光谱分析中，用于分光的光谱仪器和检测光的光探测器对分析结构 有决定性作用。 1.闪耀光橱 在光栅衔射实验中，我们了解了垂直入射时（中一90°）光栅衍射的一般特性.当入射角中，90° 时，衍射强度公式为 1受0 (9.1) 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝干涉因子共同决定。只不过此时 -受m+m0 (9.2) -班m9+m) (9.3) 衍射中央极大 涉0级极大 (a)平面反射光悟衍射 (b)锯齿型反射光桶《闪罐光播)刻 图9.1反射式光栅强度极大方向 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角0取+号，异侧时取一号。单缝衍射中央主极 大的条件是0，即sim9=-sin0或g=-0。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足v=0, 即0级干涉最大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0级最大位置是重合的（图9.1a) 光栅衍射强度最大的峰是个波长均不发生散射的0级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的 高级衍射峰的强度却非常低。 为了提高信噪比，可以采用如图9.b所示的锯齿型的反射光橱（又称闪耀光栅）。闪耀光栅 的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角 度、形状无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时，两者0级极大的角度也一样。闪耀 光橱的沟槽斜面相当于单缝，衍射条件与齿面法线有关。如图9.b所示，中央极大的衍射方向与 入射线对称于齿面法线N,于是造成衍射极大与0级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数， 可以使光栅衍射的某一波长最强蜂发生在1级或其它高级干涉极大的位置。 62
近代物理实验讲义 62 实验9 光栅光谱仪相关实验 光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来自对各种 原子光谱的研究。通过光谱研究，可以得到所有研究物质中含元素的组分和原子内部的能级结构 及相互作用等方面的信息。在光谱分析中，用于分光的光谱仪器和检测光的光探测器对分析结构 有决定性作用。 1. 闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（ ! φ = 90 ）光栅衍射的一般特性。当入射角 ! φ ≠ 90 时，衍射强度公式为 2 2 2 ) sin sin ) ( sin ( v Nv u u I = A （9.1） 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝干涉因子共同决定。只不过此时 (sinφ sinθ ) λ π = + a u （9.2） (sinφ sinθ ) λ π = + d v （9.3） 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取＋号，异侧时取－号。单缝衍射中央主极 大的条件是 u=0，即sinϕ = −sinθ或ϕ = −θ 。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足 v＝0， 即 0 级干涉最大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射 0 级最大位置是重合的（图 9.1a）， 光栅衍射强度最大的峰是个波长均不发生散射的 0 级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的 高级衍射峰的强度却非常低。 为了ᨀ高信噪比，可以采用如图 9.1b 所示的锯齿型的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅 的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角 度、形状无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时，两者 0 级极大的角度也一样。闪耀 光栅的沟槽斜面相当于单缝，衍射条件与齿面法线有关。如图 9.1b 所示，中央极大的衍射方向与 入射线对称于齿面法线 N，于是造成衍射极大与 0 级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数， 可以使光栅衍射的某一波长最强峰发生在 1 级或其它高级干涉极大的位置
光桶光谱仪相关实验 图9.2是平面光栅和闪耀光櫺衍射各级谱线 1 强度示意图。 闪耀光栅是许多光栅光诺仪中采用的色散 m--1m-0m=1 器件。 (@ 2.光辐射 光辐射分为平衡辐射（又称热辐射）和非平 衡辐射（又称发光）两大类。 m-0m=1m=2 1)热辐射 (b) 任何物质，一定温度下都在吸收外来辐射的 电磁波，也在向外辐射电磁波。平衡时，吸收的能量和辐射的能量相等。这种辐射称为热辐射。 对于黑体，入射到表面的全部能量被无反射吸收，同时将等量的能量辐射出去。黑体的单色 辐出度M(T),即单位时间、单位面积辐射的单位波长范围的电磁波能量满足黑体辐射公式（见 电子专题热发射实验)。 实际物体都不是黑体。非黑体辐射单色辐出度为 Moz(T)=a(i.T)Ma(T) (9.4) (入，T)称为物体的单色吸收比，是一个小于1的系数 不同波长电磁波的黑体辐射强度不一样，强度最大的波长用入m表示。根据维恩(Wie)位移 定律 元·T-b (9.5) 其中常量b-2.897756×103m·T。温度越低，最大辐射波长就越长。在室温，物体热辐射主要 在红外波段。当物体温度达到8O水以上，开始出现暗红色的可见光。更高的温度可辐射白光。 白炽灯及实验室常作为光源使用的肉钨灯就是利用钨丝 加热后的热辐射工作的。2450K黑体辐射与钨丝辐射的能量 分布曲线见图9.3。 2)发光 处于激发态上的电子处于非平衡态。它向低能级跃迁 就会发光。设电子跃迁前后能量分别为E,和E。,发射光子能 量为 (9.6) 图9.32450K辐射 电子受光辐射微发到高能态上导致的发光称为光致发光。光致发光时，电子在不同能级间跃 迁常见如下几种情况。 (1)电子受光辐射激发，然后以无辐射情况跃迁到低能级。（无发射跃迁释放的能量转化成 63
光栅光谱仪相关实验 63 图 9.2是平面光栅和闪耀光栅衍射各级谱线 强度示意图。 闪耀光栅是许多光栅光谱仪中采用的色散 器件。 2. 光辐射 光辐射分为平衡辐射（又称热辐射）和非平 衡辐射（又称发光）两大类。 1) 热辐射 任何物质，一定温度下都在吸收外来辐射的 电磁波，也在向外辐射电磁波。平衡时，吸收的能量和辐射的能量相等。这种辐射称为热辐射。 对于黑体，入射到表面的全部能量被无反射吸收，同时将等量的能量辐射出去。黑体的单色 辐出度 ( ) M 0λ T ，即单位时间、单位面积辐射的单位波长范围的电磁波能量满足黑体辐射公式（见 电子专题热发射实验）。 实际物体都不是黑体。非黑体辐射单色辐出度为 ( ) ( , ) ( ) M0λ T =α λ T Mλ T （9.4） α(λ,T) 称为物体的单色吸收比，是一个小于 1 的系数。 不同波长电磁波的黑体辐射强度不一样，强度最大的波长用 λ m表示。根据维恩（Wien）位移 定律： λ m ⋅T = b （9.5） 其中常量 2.897756 10 m T 3 = × ⋅ − b 。温度越低，最大辐射波长就越长。在室温，物体热辐射主要 在红外波段。当物体温度达到 800K 以上，开始出现暗红色的可见光。更高的温度可辐射白光。 白炽灯及实验室常作为光源使用的卤钨灯就是利用钨丝 加热后的热辐射工作的。2450K 黑体辐射与钨丝辐射的能量 分布曲线见图 9.3。 2) 发光 处于激发态上的电子处于非平衡态。它向低能级跃迁时 就会发光。设电子跃迁前后能量分别为 E1和 E0，发射光子能 量为 E E E hc h Δ λ ν = = 1 − 0 = （9.6） 电子受光辐射激发到高能态上导致的发光称为光致发光。光致发光时，电子在不同能级间跃 迁常见如下几种情况。 （1）电子受光辐射激发，然后以无辐射情况跃迁到低能级。（无发射跃迁释放的能量转化成 图 9.3 2450K 辐射 图 9.2 光栅各级谱线强度示意 a.平面光栅 b. 闪耀光栅 黑体 钨丝
近代物理实验讲义 热能成其它形式)从现象看，物质净吸收了一个对应波长为一仁的光子。 (2)电子吸收一个光子跃迁到激发态，再辐射一个同能量的光子回到初态 (a)无辐射跃迁 (c)经中间态的辐射跃 图9.4电子跃迁 在初态和激发态之间可能存在着中间能级。激发态的电子先无发射跃迁到中间态，再辐射光子跃 迁到初始态。从现象看，物质吸收了一个高能量的光子，辐射一个低能量的光子。或者说，短波 长的光辐射激发物质发出较长波长的光。 因为原子具有分立的能级，原子光谱是线状的不连续谱 原子在周体和液体中的情况比较复杂。因为固体和液体中原子间距很小，原子间的相互作用 较强，导致能量状态变化。固体和液体物质的光谱可能是线状谱，也可能是连续谱。 3.光栅光谱仪工作原理 光栅光谱仪结构如图9.5所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分 别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光 经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和最终聚焦 到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅 的角度唯一确定出射光的波长。 D 电压表 (b) 图9.5光栅光谱仪结构(a)及电源控制箱(b) 4.光探测器 光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCD等多种，经过 光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和CCD来接收出 射光。 1)光电倍增管 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系
近代物理实验讲义 64 热能或其它形式）从现象看，物质净吸收了一个对应波长为 E hc Δ λ = 的光子。 （2）电子吸收一个光子跃迁到激发态，再辐射一个同能量的光子回到初态。 （a）无辐射跃迁 （b）辐射跃迁 （c）经中间态的辐射跃迁 图 9.4 电子跃迁 在初态和激发态之间可能存在着中间能级。激发态的电子先无发射跃迁到中间态，再辐射光子跃 迁到初始态。从现象看，物质吸收了一个高能量的光子，辐射一个低能量的光子。或者说，短波 长的光辐射激发物质发出较长波长的光。 因为原子具有分立的能级，原子光谱是线状的不连续谱。 原子在固体和液体中的情况比较复杂。因为固体和液体中原子间距很小，原子间的相互作用 较强，导致能量状态变化。固体和液体物质的光谱可能是线状谱，也可能是连续谱。 3. 光栅光谱仪工作原理 光栅光谱仪结构如图 9.5 所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分 别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光 经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和最终聚焦 到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅 的角度唯一确定出射光的波长。 （a） （b） 图 9.5 光栅光谱仪结构（a）及电源控制箱（b） 4. 光探测器 光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和 CCD 等多种，经过 光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和 CCD 来接收出 射光。 1) 光电倍增管 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系 E0 E1 E0 E1 E0 E1 开关 高压 调节 电压表
光桶光谱仪相关实验 统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极一一打拿极（又称“倍增极”） 一阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱 的光输入转换成光电子：这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系 统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。 以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上 以电压信号的形式输出。 图9.6光电倍增管的工作原理 K一一光阴极：F一一聚焦极：D一D。一一打拿极：一一阳极。 2)CCD CCD是电荷祠合器件的简称，是一种金属一氧化物一半导体结构的新型器件，在电路中常作 为信号处理单元。对光敏感的CCD常用作图象传感和光学测量。由于CCD能同时探测一定波长 范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。 实验9.1光栅光谱仪的使用 【实验目的】 1.了解光栅光谱仪的工作原理。 2.学会使用光栅光谱仪。 【实验内容】 1粗调狭缝宽度。不打开光谱仪控制箱电源，取下入射狭缝前的光源，调节入射狭缝的缝宽， 直接观察狭缝宽度的改变。先顺时针调节，观察狭缝宽度逐渐增大，然后减小狭缝宽度至狭 缝刚好完全关闭。最后，调节缝宽至约0.50mm(注意：狭缝是光谱仪的脆弱部分，调节时应 小心谨慎，严禁大力随意调整。逆时针旋转则缝宽减小)·同样，调节出射狭缝至0.5mm。 注意，出射狭缝后挂接着光电倍增管，光电倍增管只能接收微弱光强，不可在室内照明强度 下使用，因此实验过程中不可取下光电倍增管。 2.寻找狭缝的零点误差。狭缝宽度由微分头调节，存在零点误差，我们可通过实际现象来判断。 打开光谱仪电源控制箱和计算机，启动光谱仪软件
光栅光谱仪相关实验 65 统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”) ──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱 的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系 统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于 1，电子数得到倍增。 以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上 以电压信号的形式输出。 图 9.6 光电倍增管的工作原理 K——光阴极；F——聚焦极；D1～D10——打拿极；A——阳极。 2) CCD CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件，在电路中常作 为信号处理单元。对光敏感的 CCD 常用作图象传感和光学测量。由于 CCD 能同时探测一定波长 范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。 实验 9.1 光栅光谱仪的使用 【实验目的】 1. 了解光栅光谱仪的工作原理。 2. 学会使用光栅光谱仪。 【实验内容】 1. 粗调狭缝宽度。不打开光谱仪控制箱电源，取下入射狭缝前的光源，调节入射狭缝的缝宽， 直接观察狭缝宽度的改变。先顺时针调节，观察狭缝宽度逐渐增大，然后减小狭缝宽度至狭 缝刚好完全关闭。最后，调节缝宽至约 0.50mm（注意：狭缝是光谱仪的脆弱部分，调节时应 小心谨慎，严禁大力随意调整。逆时针旋转则缝宽减小）。同样，调节出射狭缝至 0.5mm。 注意，出射狭缝后挂接着光电倍增管，光电倍增管只能接收微弱光强，不可在室内照明强度 下使用，因此实验过程中不可取下光电倍增管。 2. 寻找狭缝的零点误差。狭缝宽度由微分头调节，存在零点误差，我们可通过实际现象来判断。 打开光谱仪电源控制箱和计算机，启动光谱仪软件
近代物理实验讲义 将溴钨灯安装到入射狭缝处（灯的前端接口与狭缝是配套的，可直接挂上），打开溴钨灯电 源。调节负高压至300V,设在软件“参数设置”中选择工作模式为“能量”，间隔1.00nm,工 作范围（即起始波长和终止波长）为200-660nm,采集次数为25，其它参数不变， 点击菜单“定点”按钮，弹出的对话框中设置波长(500nm)和扫描时间(60s),设置后仪 器将自动扫描至500m处连续测量光强，60秒后停止。在扫描过程中，分别调节入射和出射狭 缝，可即时看到出射光强的变化。保持出射狭缝0.50mm不变，减小入射狭缝，使光强刚好减小 至零（或小到不变，光强一般至少小到10以下），此临界位置即为入射狭缝的零点。同样，调节 入射狭缝至0.50mm并保持不变，逐渐减小出射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变），此 临界位置即为出射狭缝的零点。记录零点误差。 3.用钠灯双黄线校正光谱仪。点亮钠灯，使其对准入射狭缝，调节入射狭缝为0.40mm,出射 缝为0.20mm,工作范围580-600nm,间隔0.01nm,负高压约300V,选择寄存器1)。点击 “单程”开始扫描，扫描结束后，如果谱线的最大值小于200或者大于950，则适当减小负高 压（以后所有的谱线都要满足这个条件，不再赞述），再次扫描。得到合适的谱线后，用软 件的自动或半自动寻蜂功能找到两条谱线，并与理论值比较，如果误差超过1m,则用软件 的修正功能予以修正。 4. 测量高压汞灯光谱（入射狭缝为0.40mm,出射狭缝为0.20mm,200-660nm,间隔0.01nm, 负高压与钠灯相当，选择寄存器2)，寻峰，记录波长和相对光强。与理论值比较，作标准 值一测量值曲线图，并得出光谱仪的波长修正公式： 5. 测量氢（或者氢氘）原子光谱(200-660nm,间隔0.01nm,负高压适当，选择寄存器3)，寻 峰，记录波长和相对光强，由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数，并与理 论值比较： 6.用溴钨灯光源测量滤色片的透过率曲线(380-660nm,间隔1nm,负高压适当，选择寄存器 4)。先选择“工作方式/模式”为基线，不插入滤色片，扫描谱线（确保谱线最大值在300 950之间)，完成后，插入滤色片（入射狭缝处V形槽右侧有插口），选择模式为“透过率” 再次扫描即可，保存数据为t格式。 以下内容选做，实验前保存数据，清空全部寄存器，选择寄存器1。 7.研究入射狭缝宽度对谱线（钠双线）的影响（钠灯，588-591nm,间隔0.01nm)。固定出射 狭缝为0.10mm,入射狭缝0.50mm。扫描谱线，适当调节电源控制箱上的负高压，使最大光 强大于300，保存数据，记录入射缝宽和对应的谱线半高宽度（例如，谱线最大值600，则记 录谱线强度为300时的左右波长，其差值就是谱线半高宽度)·然后保持出射狭缝和负高压 不变，切换寄存器为2、3等，逐渐减小入射狭缝至0.10mm(间隔0.10mm),每次扫描谱 线并记录数据。 8.研究出射狭缝宽度对谱线（钠双线）的影响（钠灯，588-591nm,间隔0.01nm)。固定入射 狭缝为0.10mm,出射狭缝0.50mm,扫描谱线。适当调节电源控制箱上的负高压，使最大光
近代物理实验讲义 66 将溴钨灯安装到入射狭缝处（灯的前端接口与狭缝是配套的，可直接挂上），打开溴钨灯电 源。调节负高压至 300V，设在软件 “参数设置”中选择工作模式为“能量”，间隔 1.00nm，工 作范围（即起始波长和终止波长）为 200-660nm，采集次数为 25，其它参数不变。 点击菜单“定点”按钮，弹出的对话框中设置波长（500nm）和扫᧿时间（60s），设置后仪 器将自动扫᧿至 500nm 处连续测量光强，60 秒后停止。在扫᧿过程中，分别调节入射和出射狭 缝，可即时看到出射光强的变化。保持出射狭缝 0.50mm 不变，减小入射狭缝，使光强刚好减小 至零（或小到不变，光强一般至少小到 10 以下），此临界位置即为入射狭缝的零点。同样，调节 入射狭缝至 0.50mm 并保持不变，逐渐减小出射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变），此 临界位置即为出射狭缝的零点。记录零点误差。 3. 用钠灯双黄线校正光谱仪。点亮钠灯，使其对准入射狭缝，调节入射狭缝为 0.40mm，出射狭 缝为 0.20mm，工作范围 580-600nm，间隔 0.01nm，负高压约 300V，选择寄存器 1）。点击 “单程”开始扫᧿，扫᧿结束后，如果谱线的最大值小于 200 或者大于 950，则适当减小负高 压（以后所有的谱线都要满足这个条件，不再赘述），再次扫᧿。得到合适的谱线后，用软 件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线，并与理论值比较，如果误差超过 1nm，则用软件 的修正功能予以修正。 4. 测量高压汞灯光谱（入射狭缝为 0.40mm，出射狭缝为 0.20mm，200-660nm，间隔 0.01nm， 负高压与钠灯相当，选择寄存器 2），寻峰，记录波长和相对光强。与理论值比较，作标准 值－测量值曲线图，并得出光谱仪的波长修正公式； 5. 测量氢（或者氢氘）原子光谱（200-660nm，间隔 0.01nm，负高压适当，选择寄存器 3），寻 峰，记录波长和相对光强，由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数，并与理 论值比较； 6. 用溴钨灯光源测量滤色片的透过率曲线（380-660nm，间隔 1nm，负高压适当，选择寄存器 4）。先选择“工作方式/模式”为基线，不插入滤色片，扫᧿谱线（确保谱线最大值在 300- 950 之间），完成后，插入滤色片（入射狭缝处 V 形槽右侧有插口），选择模式为“透过率”， 再次扫᧿即可，保存数据为 txt 格式。 以下内容选做，实验前保存数据，清空全部寄存器，选择寄存器 1。 7. 研究入射狭缝宽度对谱线（钠双线）的影响（钠灯，588-591nm，间隔 0.01nm）。固定出射 狭缝为 0.10mm，入射狭缝 0.50mm。扫᧿谱线，适当调节电源控制箱上的负高压，使最大光 强大于 300，保存数据，记录入射缝宽和对应的谱线半高宽度（例如，谱线最大值 600，则记 录谱线强度为 300 时的左右波长，其差值就是谱线半高宽度）。然后保持出射狭缝和负高压 不变，切换寄存器为 2、3 等，逐渐减小入射狭缝至 0.10mm（间隔 0.10mm），每次扫᧿谱 线并记录数据。 8. 研究出射狭缝宽度对谱线（钠双线）的影响（钠灯，588-591nm，间隔 0.01nm）。固定入射 狭缝为 0.10mm，出射狭缝 0.50 mm，扫᧿谱线。适当调节电源控制箱上的负高压，使最大光