光譜儀和光譜的觀察

1、光譜儀和光譜的觀察光譜是光源所發(fā)射的輻射強度隨波長（頻率）的分布，它反映了光源的構(gòu)成物質(zhì)和其它的一些特性。我們今天所掌握的有關(guān)原子和分子結(jié)構(gòu)方面的知識絕大部分都來自光譜的研究。在電磁輻射和物質(zhì)相互作用時能觀察到吸收或發(fā)射光譜，它們從多方面提供了原子和分子結(jié)構(gòu)和它們與周圍環(huán)境相互作用的信息。因此，光譜的觀察在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中有著十分重要的意義?！緦嶒?zāi)康摹?.2.3.掌握光柵光譜儀的工作原理和使用方法，學(xué)習(xí)識譜和譜線測量等基本技術(shù)。 通過光譜測量了解一些常用光源的光譜特性。通過所測得的氫（氘）原子光譜在可見和近紫外區(qū)的波長驗證巴爾末公式并準確測出氫 （氘）的里德堡常數(shù)。4. *測出氫、氘同位

2、素位移，求出質(zhì)子與電子的質(zhì)量比?！緦嶒炘怼?. 典型光源光譜發(fā)光原理（1）熱輻射光源只要通過加熱來維持它的溫度，鹵素?zé)?、鎢帶燈和直流譜線的中心頻率和形這一類光源特點是物體在發(fā)射輻射過程中不改變內(nèi)能，輻射就可繼續(xù)不斷地進行下去.這類光源包括我們常用的白熾燈、碳弧燈等一些常用光源。它們光譜是覆蓋了很大波長范圍連續(xù)光譜， 狀與物體溫度有關(guān)，而與物質(zhì)特性無關(guān)，溫度越高，輻射的頻率也越高。（2）發(fā)光二極管通過n型半導(dǎo)體的電子和 P型半導(dǎo)體在結(jié)間的偶合發(fā)出光子，發(fā)光頻率與電子躍遷能級有關(guān)。如果，躍遷的上能級為 E2、下能級為E1,則發(fā)巳一一出光子的頻率v滿足bV = Ej - Elhv E2 E1 其中

3、E,1圖1原子自發(fā)輻射發(fā)射光子h=6.626 10-34Js為普朗克常數(shù)，發(fā)光二極管躍 遷的上下能級都是范圍較寬的能帶結(jié)構(gòu)，因此， 其譜線寬度一般也較寬。 分子和晶體也有這種帶 狀的能級結(jié)構(gòu)，譜線也有一定的寬度。（3）光譜燈光譜燈工作物質(zhì)一般為氣體或金屬蒸汽，通過激發(fā)的形式，使低能態(tài)的原子激發(fā)到較高的能級（圖1），處于高能級的原子是不穩(wěn)定的，會以自發(fā)輻射的形式回到低能級，輻 射的光子也滿足hv E2 E1E2和Ei分別是原子自發(fā)輻射躍遷的上下能級，v為輻射的光子頻率。原子的能級是分立的，可以從不同高能級不同低能級躍遷，因此，原子譜線也是分立的，譜線寬度一般也較窄。2. 譜線半值線寬 A)X大

4、些 光 達 邊1913年玻爾原子的量子軌 提出了微觀體系特有的量子規(guī)，按照玻爾12 2me41v3(4 0)h3c12212n(2)譜線的半值線寬(半線寬)是光譜研究中一個很重要的參量，通過半線寬的測量我們可以知道譜線的頻率分布的范圍的 小，可以求得光源的相干長度等一 與光源特性有關(guān)的參量。如果一個 譜的分布函數(shù)f()，在波長=0到極大f( 0)(圖2),在其左右兩 各存在波長值入、尼，有f( 1)= f( 2)= f( 0)/2，則對應(yīng)波長 0峰值 線寬定義為 =| 1- 2|。峰值半線與相干長度關(guān)系為 L圖2譜線半值線寬3. 氫原子光譜氫光譜實驗在量子理論的發(fā)展過程中有著非常重要的地位，

5、道的理論，指出了原有經(jīng)典理論不能用于解釋原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 律，揭開了量子論發(fā)展的序幕。氫原子光譜的實驗規(guī)律：早在原子理論建立以前人們就積累了有關(guān)原子光譜的大量實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氫原子光譜 可以用一個普遍的公式表示，波數(shù)1 2 n其中：m取1、2、3、4、5等正整數(shù)，每一個 m值對應(yīng)一個光譜線系，如當(dāng)m= 2時便得到譜線在可見光和近紫外區(qū)的巴爾末線系；n取m+1、m+2、m+3、等正整數(shù)，每一個n值對應(yīng)一條譜線；R稱為里德伯常數(shù)。式(1)稱為廣義巴爾末公式。根據(jù)光譜實驗規(guī)律和其它實驗結(jié)果，玻爾提出了原子電子軌道的量子化理論理論氫原子光譜巴耳末線系的理論公式為1e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，M為12 2m

6、e4式中0為真空介電常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速, 氫原子核質(zhì)量。即里德伯常數(shù)R3.(4 0)h3c1 Mm mR為將核的質(zhì)量視為無窮大(即假定核固定不動)時的里德伯常數(shù)。這樣便把里德伯常數(shù)和許 多基本物理常數(shù)聯(lián)系起來了。因此式(3)和實驗結(jié)果符合程度就成為檢驗玻爾理論正確性的重要依據(jù)之一。這樣(2)可寫成(n=3 時，=656.28nm )*4.同位素位移由于同一元素的不同同位素，它們原子核所擁有的中子數(shù)不同，引起原子核質(zhì)量差異 和電荷分布的微小差異，而引起原子光譜波長的微小差別稱為“同位素位移”。一般來說，元素光譜線同位素位移的定量關(guān)系是很復(fù)雜的。對于重核，中子數(shù)目的增加除了增大原子核的

7、質(zhì)量外，還使原子核的半徑發(fā)生變化，它們對同位素的光譜線都有影響。只有像氫原子這樣的系統(tǒng)，同位素位移才可以用簡單的公式計算。氫原子核是一個質(zhì)子，其質(zhì)量為M，氘核比氫核多一個中子，其質(zhì)量近似為2M。由式(4)可知氫原子與氘原子的里德伯常數(shù)分別為Rh RRdR2M2M對于巴耳末線系，氫和氘的譜線計算公式分別為Vh 一HRh(7)VdRd(8)對于相同的n,由式(5) - (8)可得RhRhRd2M m2Mm2M(9)M m 2 同時由于用光譜實驗可測得精確度很高的里德伯常數(shù), 要依據(jù)之一。上式中的(10)所以D的近似值。用式(10)計M/m的一個值，最后求因而也成為測量基本物理常數(shù)值的重 是用R。代

8、替Rh或Rd計算得到的算M/m時，又可取D的數(shù)值。從實驗測得的每一個H和D可算得平均值?！緦嶒瀮x器】光柵光譜儀、光譜燈、發(fā)光二極管、熱光源、氫燈【儀器介紹】3。當(dāng)光源放在進光1.光柵光譜儀光柵光譜儀是利用光柵分光原理制成光譜測量儀器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖狹縫A1前，光線狹縫進入光譜儀后，先由轉(zhuǎn)向鏡M、Mi反射到達分光光柵 G,光束經(jīng)光柵分光，選擇好的單色光經(jīng)由M2反射經(jīng)狹縫 A2進入光電倍增管 PM。其中，Ai、A2縫寬大小決定譜線精細程度，通?？p寬越小譜線的分辨率越高，但譜線強度越低，實驗中，可按不同的測量要求，選擇合適的縫寬；M的作用僅僅是使光束轉(zhuǎn)向；M1是一凹面鏡不僅是光束轉(zhuǎn)向，還使光束變?yōu)槠叫?/p>

9、光入射光柵；G是分光元件，一個步進馬達通過絲桿-連軸結(jié)構(gòu)與之連接，控制 G的分光角度，調(diào)節(jié)進入 PM的光束的波長；M2也是一凹面鏡，其作用是 將分光后的單色光反射并聚焦通過A2進入PM探測；PM探測譜線強度，并轉(zhuǎn)換成電信號，EM SAi、A2：通光狹縫、 M、Mi、M2：反射鏡、G:光柵、PM:光電倍增管、 R:連桿、S:絲桿、M:步進馬達圖3光譜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)再由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成數(shù)值信號，送入計算機系統(tǒng)處理、顯示和存儲。2. WGD系列光譜儀控制軟件介紹當(dāng)打開光柵光譜儀軟件系統(tǒng)，計算機會對系統(tǒng)自動初始化，探測零點位置，使光譜儀到達200nm的測量位置，并可見到圖4界面。因篇幅的關(guān)系這里只對一些

10、常用的功能做簡單的介紹。在界面的左邊有“參數(shù)設(shè)置”按鍵，有如下參數(shù)：“模式”：有“能量”、“透過率”、“吸收率”和“基線”四種模式，一般譜線的測量用能量 模式；在測量“透過率”和“吸收率”需先測量基線?！伴g隔”：有 0.1 nm、0.2nm、0.5nm 和 1nm 四檔（8 型還有 0.025nm,0.05nm 檔），反映了掃 描過程中兩測量點間的距離，在測量時，可根據(jù)測量譜線的特性選擇合適的檔次?！捌鹗疾ㄩL”和“終止波長”：決定掃描的波長范圍（在 200nm-800nm范圍內(nèi)），可直接輸入，也可用譜線下方工具I世J選定，或在工具應(yīng)點開的窗口內(nèi)輸入?！白畲笾怠焙汀白钚≈怠保簺Q定“能量”顯示范圍

11、。最大值為1000，在測量中，計算機有時會自動選擇，可用直接輸入譜線下方工具Lxi選定。也可在工具應(yīng)點開的窗口內(nèi)輸入。以上兩對參數(shù)可根據(jù)需要加以選擇。_ta la. . . _.*>KAdUiez需_'I 歲4 棗 R* 止 tijSS ©gwiacTCCii-!ftMl E.Qm 卅存,"tJAS 巧fla郵iR則 翻TZZ三hebbE4teiB<lD _ Sjtftk 両廠 ARKI IB tifiKEKE ms®岡岡兇 cg-uso r 1 斗SWF+,T2迥釧1刑皿|3>nII上JM?j£J TI 卜H'I ir

12、afl33.0 rsaa圖4光譜儀控制界面“負高 壓”在 WGD-8型光譜儀上用于選擇光電倍增管電壓，共有18檔，檔數(shù)越高負高壓越大，倍增管放大倍數(shù)也越大。在 WGD-3型由于電壓靠控制箱面板電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)，這個參數(shù) 是虛設(shè)的?！霸鲆妗闭{(diào)節(jié)控制箱內(nèi)部放大器的放大倍數(shù)，有17檔?！安杉螖?shù)”調(diào)節(jié)每個測量點測量取平均的次數(shù)，次數(shù)越多，由于平均效果，曲線受外 界不確定因素干擾越小，曲線越平滑，但測量所需的時間越長。最上一排操作按鍵大多與一般計算機操作按鍵功能相同，只有：在“工作”下有“單程掃描”、“定點掃描”、“波長檢索”和“重新初始化”等操控鍵?！皢纬虙呙琛保菏怯玫米疃嗟墓δ?，點此按鈕，光譜儀就

13、會按設(shè)定的參數(shù)掃出譜線分布。在 光譜圖的上面有一排操作按鈕中“單程”也可實現(xiàn)該功能?！岸c掃描”：點此按鈕，光譜儀可在給定單一波長下掃出時間-強度譜，在調(diào)節(jié)光譜燈位置時，該功能十分有用。在光譜圖的上面有一排操作按鈕中“定點”也可實現(xiàn)該功能?！安ㄩL檢索”：可使光譜儀到達某一特定的波長位置。200nm 的“重新初始化”：使系統(tǒng)重新檢查光譜儀波長“零點”位置，并使光譜儀到達測量 波長位置。該功能在每次打開系統(tǒng)時，計算機就會提醒使用一次。在“讀取數(shù)據(jù)”下，有“尋峰”和“波長修正”等操控鍵?！皩し濉保嚎汕蟮米V線上的峰值位置，使用該功能時，需在尋峰窗口中選擇要尋的是“峰”還是“谷”，“最小峰高”是多少等。

14、用譜線圖下方工具險和釧也可實現(xiàn)同樣的功能?！安ㄩL修正”：對標準光譜燈進行測量后，“尋峰”如發(fā)現(xiàn)得到的譜線與標準光譜的位置不相 符合，就可啟動該功能，按提示進行波長修正。還有一些其他功能鍵， 這里就不一一介紹了，有興趣的讀者可對照儀器說明， 進行測試?！緦嶒瀮?nèi)容】1.2.3.4.用光柵光譜儀鈉（汞）光譜燈的光譜，對光譜儀進行波長校準。 分別對熱輻射源、發(fā)光二極管、光譜燈進行光譜測量。測量氫原子發(fā)射譜，找出巴爾末線系的譜線，驗證玻爾軌道理論。 *測氫-氘譜，通過波長差求出質(zhì)子與電子的比值?！緦嶒灢襟E】1光譜儀波長修正認真閱讀光譜儀介紹部分或閱讀光譜儀說明書，等功能的應(yīng)用。打開計算機，開光譜儀電源開

15、關(guān)。打開鈉（汞）燈。用鼠標點擊運行光譜儀控制軟件，分鐘）。對鈉光燈雙線589.0nm、589.6nm描”得到該標準譜線附近（范圍：弄清光譜儀掃描、波長修正和定點掃描1.21.51.5選擇光電倍增管，耐心等待儀器初始化工作結(jié)束（35（或汞燈546.1 nm線），在能量”模式下，用“單程掃 ± 5nm,間隔：0.1 nm）的強度分布；用 自動尋峰”找 波長修正”對光譜儀進行波到譜線的峰值位置，如峰值位置與標準譜線波長不對，則用長校正。2典型光源光譜測量分別選擇好合適的“掃描范圍”和“間隔”，對熱輻射源（白熾燈）、發(fā)光二極管、汞燈546.1 nm線（或氫燈656.28nm線）進行光譜測量，

16、求出光譜的半線寬。畫出該譜線強度 分布簡圖。并求出相干長度。在測量時要注意調(diào)節(jié)光源的位置和光電倍增管電壓或信號 益”以保證 能量”信號有足夠大的數(shù)值（強度 >100 ）。3氫光譜測量3.1通過計算求出巴爾末線系的光譜范圍，確定譜線出現(xiàn)的位置。=656.28nm）換氫燈初步掃出氫原子光譜（注意選擇光電倍增管電壓）。用“自動尋峰“找到=656.28nm的譜線位置，進行“定點掃描”（選擇掃描時間>1000s）,即在=656.28nm譜線峰值位置，看光譜強度隨時間的變化，在“定點掃描” 狀態(tài)下，移動氫光譜燈的位置，使信號達到最大，并選擇好適當(dāng)?shù)墓怆姳对龉茈妷汉托盘柗糯蟊稊?shù)，保證信號足夠大，

17、并且不超出顯示范圍（<1000）,譜線能夠最佳的信噪比。根據(jù)巴爾末線系的范圍，掃描出整個譜線系（參考范圍：370660nm，間隔：0.1 nm ）。找出巴爾末線系的譜線，用最小二乘法求得氫原子的里德伯常數(shù)，求與公認值的百分差，驗證波爾原子軌道理論。并畫出譜線分布簡圖（譜線位置-強度）。3.6 *找出合適的光譜燈位置，分開氫氘譜線，掃描出譜線（或用CCD測量）。見（4 ）式（n=3時,3.23.33.43.5【注意事項】1光譜燈換擋時，一定要切斷電源。2不要動光譜儀的進光狹縫。3測量光譜時，要根據(jù)譜線的強度，選擇合適的光電倍增管電壓。實驗數(shù)據(jù)分析：1.測量光譜的半寬度和相干長度L=入0人2/入0 (nm)1(nm)2(nm)入(nm)L(nm)617.78603.15630.3627.2114026.17488.87476.21498.9122.7010528.362.測量氫原子發(fā)射譜n理論值入0（nm）實驗值入（nm）實驗值R誤差百分數(shù)（）1/入1/2*2-1/n*n3656.28656.25109714290.0215