實(shí)驗(yàn)二十一 衍射光柵.doc

實(shí)驗(yàn)二十一 衍射光柵衍射光柵是根據(jù)單縫衍射和多縫干涉原理制成的一種分光元件，它能產(chǎn)生譜線間距較寬的勻排光譜。所得光譜線的亮度比用棱鏡分光時(shí)要小些，但光柵的分辨本領(lǐng)比棱鏡大，條紋清晰，可以用于幾納米到幾百微米的整個(gè)光學(xué)譜域，用光柵作色散元件的光學(xué)儀器在地質(zhì)、冶金、石油化工等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.進(jìn)一步熟悉分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用。2.觀察光柵的衍射現(xiàn)象及特點(diǎn)。3.掌握利用光柵測(cè)量光柵測(cè)量光柵常數(shù)和波的的原理和方法。實(shí)驗(yàn)儀器分光計(jì)，汞燈，平面鏡，光柵等。實(shí)驗(yàn)原理光柵是由等寬等間距的互相平行的許多狹縫構(gòu)成的光學(xué)元件。光柵有兩種，一種是由用作透射光衍射的透射光柵；另一種是用于反射光衍射的反射光柵。根據(jù)光柵制作工藝不同有刻劃光柵、復(fù)制光柵與全息光柵之分。一般的光柵在一毫米內(nèi)有幾百至幾千條狹縫，本實(shí)驗(yàn)中所用的是每毫米有300-600條狹縫的全息透射光柵。 若以單色平行光垂直照射在光柵面上，則透過(guò)各個(gè)狹縫的光線因衍射將向各個(gè)方向傳播，經(jīng)透鏡匯聚后互相干涉，并在透鏡平面上形成一系列被相當(dāng)寬的暗區(qū)隔開(kāi)的間距不同的明條紋。按照光柵衍射理論，衍射光譜中明條紋的位置由下式?jīng)Q定 （4-21-1）式中d=a+b成為光柵常數(shù)，為入射光波長(zhǎng)，k 為明條紋（光譜線）級(jí)數(shù)，是第k級(jí)明條紋的衍射角。（參見(jiàn)圖4-21-1）。如果入射光是復(fù)色光，則由式（4-21-1）可以看出，光的波長(zhǎng)不同，其衍射角也各不相同。于是復(fù)色光將被分解。而在中央處，各色光仍重疊在一起，組成中央明條紋。在中央銘文兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地分布著k=1，2級(jí)明條紋各明條紋按照波長(zhǎng)由大到小的順序排列成一組彩色條紋，成為光譜。見(jiàn)圖4-21-1（b）根據(jù)以上討論，我們用分光計(jì)測(cè)得k級(jí)光譜線的衍射角后，若給定入射光波長(zhǎng),便可用公式（4-21-1）求出光柵常數(shù)d；反之，若已知光柵常數(shù)d,又可以求出入射光的波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1調(diào)整分光計(jì)調(diào)整方法見(jiàn)實(shí)驗(yàn)十八，分光計(jì)的調(diào)整應(yīng)滿(mǎn)足：（1） 望遠(yuǎn)鏡適合于觀察平行光，并使其光軸垂直于分光計(jì)轉(zhuǎn)軸；（2） 平行光管發(fā)出平行光，且使其光軸垂直于分光計(jì)轉(zhuǎn)軸，并與望遠(yuǎn)鏡光軸登高。 分光計(jì)調(diào)好后，固定望遠(yuǎn)鏡。2.調(diào)整光柵(1)調(diào)節(jié)光柵平面垂直于平行光管光軸。把光柵按圖4-21-2安置在平臺(tái)上，然后以光柵面作為反射面，用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)光柵面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直。（注意：望遠(yuǎn)鏡已調(diào)好，望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺絲不能再動(dòng)?。┺D(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲G1或G2，使光柵面反射回望遠(yuǎn)鏡的亮十字線與分劃板上方的黑十字絲重合。這時(shí)，如果狹縫像、亮十字的垂直線和分劃板垂直線三者重合，說(shuō)明光柵平面已垂直平行光管光軸，隨后把游標(biāo)盤(pán)鎖緊。（2）調(diào)節(jié)光柵刻線與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸平行。松開(kāi)望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺絲，并旋緊望遠(yuǎn)鏡與度盤(pán)止動(dòng)螺絲，使刻度盤(pán)能隨望遠(yuǎn)鏡一同轉(zhuǎn)動(dòng)。左右轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，觀察衍射光譜線的分布情況，中央零級(jí)呈白色明紋，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地排列著級(jí)和級(jí)的譜線組（見(jiàn)圖4-21-1）。如果左右的譜線高低有變化，則說(shuō)明光柵上的刻度線與平行光管的狹縫不平行，此時(shí)只要調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲G2（見(jiàn)圖4-21-2），直到各譜線一般高為止。第二級(jí)譜線比較暗淡，要仔細(xì)觀察。3.測(cè)量汞燈各級(jí)譜線的衍射角 （1）由于衍射光譜對(duì)中央明條紋是對(duì)稱(chēng)得，先測(cè)出-k級(jí)光譜線相應(yīng)的兩游標(biāo)讀數(shù)再測(cè)出+k級(jí)光譜線相應(yīng)兩游標(biāo)讀數(shù)（和對(duì)應(yīng)同一游標(biāo)），則有 （2）將望遠(yuǎn)鏡移至左邊-1級(jí)到右邊+1級(jí)依次測(cè)量，記下各條譜線中藍(lán)、綠、黃1、黃2色譜線位置的兩游標(biāo)讀數(shù)（見(jiàn)圖4-21-3）。 (3)為了使十字絲精確對(duì)準(zhǔn)譜線，可以使用望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)螺絲調(diào)節(jié)。 數(shù)據(jù)處理1.已知綠譜線的波長(zhǎng)綠=546.07nm，求光柵常數(shù)d 。 （提示：）2.利用已測(cè)出的光柵常數(shù)，求藍(lán)、黃1、黃2和誤差。（提示： ）3.已知個(gè)譜線波長(zhǎng)的公認(rèn)值分別為：藍(lán)=534.83nm；黃1=576.96nm；黃2=579.07nm。求測(cè)量值與公認(rèn)值的百分誤差。注意事項(xiàng)1.光柵是精密光學(xué)元件，嚴(yán)禁用手觸摸光學(xué)表面，不得擦拭其表面，以免弄臟或損壞。注意輕拿輕放，嚴(yán)禁跌落摔壞。2.汞燈紫外光很強(qiáng)，不可直視，以免灼傷眼睛。3.汞燈在關(guān)閉后不能立即打開(kāi)，要等燈管溫度下降后，水銀蒸氣壓降到一定程度才能重新點(diǎn)燃，一般約等10min，否則損壞汞燈。預(yù)習(xí)思考題1.什么是光的衍射現(xiàn)象？2.三線重合是指哪三線