光谱分析.

(3) 谱级分离： 设B上某点 ＝600nm，对1＝600nm的光 波，k＝1，得到了加强；对2=300nm的光波，k＝2，也得到了 加强。这样在B上 ＝600nm处出现的谱线，就无法确定它是1还 是2，这叫谱级重叠。但2是紫外光，它不能透过玻璃，在狭缝 前放一无色玻璃作为滤色片，所有紫外光便都到不了B，从而
实验原理 WGD-8 型组合式多功能光栅光谱仪,由光栅单色仪,接收单 元,扫描系统, 电子放大器,A/D 采集单元,计算机组成.该设备集 光学,精密机械,电子学, 计算机技术于一体.光学系统采用 C-T(Czevny-Turner)型,如图 1 所示. 5 入射狭缝,出射狭缝均为直狭缝,宽度范围 0-2mm 连续可调,光源 发出的 光束进入入射狭缝 S1,S1 位于反射式准光镜 M2 的焦面上, 通过 S1 射 入的光束经 M2 反射成平行光束投向平面光栅 G 上,衍射 后的平行光束 经物镜 M3 成象在 S2 上或 S3 上. 扫描系统把检测到衍射后的光信号传 给光电倍增管, 光电倍增管 将其转化电信号再传给 A/D 转换器.A/D 转 换器负责将模拟电流换 成二进制信号,操纵计算机处理数据,另一方面,计 算机也可以通过 A/D 转换器控制扫描系统的运作.
图6.4-12 平面光栅摄谱仪光wenku.baidu.com图
(2) 中心波长和光栅转角的关系： 落在B中心线附近的波 长0 叫中心波长。显然，这时 ＝i，对1级谱光栅方程变为2d sin i＝0 ，所以中心波长0 和i有一一对应关系。光栅安装在 一个金属齿盘上，盘底的轴插在机座的轴套上，盘边有一蜗杆 和齿啮合，蜗杆用一连杆和机壳外的手柄联结；转动手柄就可 以转动光栅，并在手柄边上可以读出光栅转角i 。仪器色散能 力较大，一次摄谱B只能容下相差约100nm的波长范围，所以拍 摄不同波段的光谱时，必须把光栅转到相应的i角位置。
捉屏幕键来进行保存,并裁减成图 2 所示. 图 2 低压汞灯的图谱 3. 测量激光的波长 (1) 把汞灯换为 He-Ne 激光器并使其对准入射缝. (2) 重复以上 2 中的操作,其中负高压一般为 2,增益系数为 2,波 长范围自定. 8
光栅光谱仪实验38
下载该文档 文档格式：PDF 更新时间：2009-4-29
光谱分析系列实验三 光栅光谱仪实验
光栅分光与棱镱分光相比具有色散均匀、分辨率高、能量 集中，光谱范围宽等优点，光栅光谱仪的使用相当普遍。CCD 是电荷耦合器件（charge coupled devices）的简称，是由美 国贝尔实验室于1970年提出来的新型半导体器体。CCD具有尺 寸小、重量轻、功耗小、线性好，噪声低，动态范围大、光谱 响应范围宽，寿命长，实时传输和自扫描等一系列优点。30多 年来，CCD的研究和应用得到了惊人的发展，已成为跨专业、 跨行业的一种光电产品，是现代光电技术中最活跃，最富有成 果的器件。
四. 实验内容 1. 光谱仪的初始化 (1)先接通控制系统的电源,再启动计算机. (2)点击桌 面上的 "WGD8a" 图标启动程序, 光谱仪自动进行初始化. (3)接通汞灯电 源,使光直接照射在单色仪入射缝 S1 上.狭缝 S1 大小为 0.15mm,狭缝 S2 大小为 0.1mm,大小已调好,一般不需要 再调. 2. 测量汞灯光的波长 (1) 采集信息 点击"当前寄存器"列表框右侧的按钮" " ,在"寄存 器"下拉列表框中选择某一寄存器,输入样品名称 Hg 灯,操作人 中输入实 验小组每个人的姓或名字的最后一个字. (2) 设置工作参数 6 点击"参数设置"菜单,依次设置各值为:模式为"E"(能 量谱),扫描间隔 0.1nm,波长范围 350.0—630.0nm,相对能量范 围 0—1000,负高压为 5, 增益系数为 3,确认输入. 起始波长和终止波长在工作范围内选择.因为低 压汞灯的最 短波长为 365nm,长波长为 623nm,所以设置的测量波长范 围包括 了低压汞灯的所有波长即可. 负高压是指光电倍增管工作时的负 高压共有,1—8 档, 调整负 高压将明显影响各谱线峰值,对普通光源一般 取 4 挡-6 挡,不得 作较大改动. 增益是指放大器的放大倍数,共有 1—8 档,对普通光源一般 取 3 挡-4 挡. (3) 扫描汞灯光谱 选择"工作"中的"单 程扫描"或点击快捷按钮,开始扫描. 注意此时屏幕上会出现"正在检索,请 稍等!按取消键停止 检索. ,检索耗时可能较长,但千万不可按取消键,因为 系统正 " 在把光栅从当前波长处(200nm) 转到设定的测量波长处, 若取 消, 将导致测量错误,只有重新初始化后方可再测量,耗时更长. 检索完毕, 系统进行测量,状态栏上可看到当前波长和读数. (4) 检峰 点击工具栏上 的 进行自动寻峰,输入最小峰高,比如 50 (输入最小峰高应比目测最小峰 高略低,不宜太小,否则会因毛 刺太多而分不清.一般以能读出 576.96nm 和 579.07nm 两条波长 线为准输入,实际测量值与此标准值可能稍有误 差),读出各波 长的读数. 7 若有波长的峰值超过 999,则需要回到(1)步,重新选择一 个寄存器进行信 息输入,在(2)步中把负高压的值调低一级,重 新进行测量. 若所有有波长 峰值中的最大值低于 700,则也需要回到(1) 步,重新选择一个寄存器进行 信息输入,在(2)步中把负高压的 值调高一级,重新进行测量. 若图中无法 分辨出 365.02nm, 365.48nm 和 366.3nm 三条谱线, 也即读出的各波长 中无此三值,则需要对入射缝 S1 和出射缝 S2 进行微调,稍微减小其大 小.但其为单色仪的脆弱部分,调整时 一定小心谨慎,严禁大力随意调整. 然后回到(1)步,重新选择 一个寄存器进行信息输入后进行测量. (5) 保存 光谱 若测量的图中至少有图 2 中所示的 9 条谱线,则可通过键盘 上的捕
界限只能达到 850nm 左右,红外波段则要求改用热电元件作为接收器. (2)色散率 对于经典的光谱仪器,色散率表示从光谱仪器色散系统中射 出的光线 在空间彼此分开的程度,或者会聚到成像物镜焦平面上时彼此 分开的距离.前者用 274 光栅光谱仪实验 角色散率表述,后者用线色散率表述. (3)分辨率 是表示光谱仪器分开波 长极为接近的两条谱线的能力,是光谱仪器重 要的性能指标.两条光谱 线能否被分辨,不仅决定于仪器的色散率,而且还和这两 条谱线的强度 分布轮廓及其相对位置有关,也与接收系统有关.通常用瑞利 (Rayliegh) 提出的仅考虑衍射现象的分辨率理论分辨率作为分辨率的判据.瑞 利认 为,当两条强度分布轮廓相同的谱线的最大值和最小值相重叠时,刚能分 辨这 两条谱线.根据瑞利准则,理论分辨率 R 为 λ R= Δλ 其中 Δλ , λ 分 别为可被分辨的两谱线的波长差和两谱线的平均波长. 一般中,小型的 棱镜光谱仪的分辨率为 103~105 ,特大型棱镜光谱仪可达 1.4×105 ,衍 射光栅光谱仪的分辨率可达 5×105 ,而干涉光谱仪的分辨率可高达 5×107. 3.氢原子光谱 量子理论指出,原子的能级结构是由一系列分立 的能级组成,各能级的能量则 由原子本身确定.原子吸收了外界能量被 激发到激发态上,处于激发态的原子是处 在一个不稳定的状态,它必定 通过一系列的跃迁过程返回基态.跃迁过程可分为辐 射跃迁和无辐射跃 迁两种.无辐射跃迁过程是原子通过其它渠道(如原子间的碰撞 等)释放 能量回到基态能级上.辐射跃迁是一个发光过程,在这一过程中原子从高 能级跃迁到低能级时释放一个光子,当两个能级的能量差为 ΔE 时,光子 频率必须 满足 hv = ΔE 对于氢原子,此式可以写成 v= 1 λ = RH ( 1 1 2) 2 n j ni (3-31) 其中, R H 为里德堡常数, ni 为跃迁上能级的主量子数, n j 为跃迁下能 级的主量子 数.不同的 n j 对应于氢光谱中不同的线系.巴尔末线系跃迁 的上能级和下能级为 4 5, n j = 2 , ni = 3,, 6 ,分别对应于 H α , H β , H γ,Hδ,Hε,Hζ. 【实验仪器】 全套设备由 WGD-3 型组合式多功能光栅光谱仪及配套软件, 待测灯 源, 透镜, 计算机及打印机组成. 1.WGD-3 型组合式多功能光栅光谱仪
范围0～2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位 于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平
行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像 在S2上或S3上。
【实验仪器】 WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪，一组光谱灯，先进电 机驱动器（由计算机控制驱动光栅转动），计算机一台。 【实验内容】 1．熟悉光谱仪的各部分结构，各电源的功能。
引言WGD-8A型光栅光谱仪是采用平面反射光栅作为分光元件,具有光 电倍增管和CCD两种接受器件,通过光电转换将数据送至单片机进行预 处理后,再将数据传递给计算机通过软件分析,最终绘出光谱分析所需的 曲线。从而大大提高光谱分析的效率和自动化程度,使得光谱分析变得 更加简便直观,在近代物理实验教学中有着广泛的运用。
【实验目的】 1．了解光栅光谱仪的工作原理。 2．了解倍增管处理系统和CCD处理系统在光谱测量中的应 用。 3．学习一种光谱分析的方法。 【实验原理】 1．平面光栅摄谱仪 (1) 光路原理： 一般平面光栅摄谱仪的光路如图6.4-12所 示。图中M1，M2是同一大凹球面反射镜的下、上两个不同框形 部分。光源A发出的光，经三透镜照明系统L1、L2、L3后均匀照 亮狭缝S 。通过S的光经小平面反射镜N反射转向90°后射 向M1，因S由N所成的虚像正好处在M1的焦面上，所以狭缝上一 点S发出的光，经M1反射后成了微微向上射出的平行光，并正 好射到N后上方的平面反射光栅G上。G把入射光向M2方向衍 射。M2把来自不同刻纹的同一波长的平行衍射光会聚成一点，
图6.4-13 组合式多功能光栅光谱仪光路图
2．阅读仪器说明书，按程序进入倍增管处理系统或CCD处 理系统。
3．用汞灯光源进行波长定标。 4．测量氢原子光谱巴尔末线系的光波波长，并由计算氢 的里德伯常量RH 。 【预习思考题】 棱镜光谱仪与光栅光谱仪的光谱有何不同？ 【分析讨论题】 光谱仪的入射狭缝的缝宽对光谱线的强度和谱线的线宽有 何影响？
简单地实现了1级可见光谱和2级紫外光谱的分离，滤色后在
＝600nm处出现的谱线一定是1。 2．组合式多功能光栅光谱仪
WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收
单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
如图6.4-13所示，入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度
正好落在照相胶版B上。G相邻刻纹的衍射光传播到的光程差 ＝d (sini+sin) ，式中d是光栅常数，i、 分别是入射光、衍 射光相对于G的法线的夹角，sin 取+号是因为 、i在法线的同 侧。显然，要是个亮点，必须 ＝k，于是得光栅方程d (sini+sin )＝k，式中是光波波长，k＝0，±1，±2，…叫衍射 级。除0外，对同一k，因i相同而不同则 将不同，也就是不同 波长的像点将落在B的左右不同位置，成为一个单色像。狭缝S 是连续的点的集合，所以是一条亮线。对同一k，A发出的所有 波长所形成的所有单色像构成A的光谱，用胶版B就可以把它们 拍摄下来。
光栅光谱仪实验 实验 38 光栅光谱仪实验 光谱是人们认识和了解物质成分的一门古老的技术.今天已知的元素中 有近 20%是依靠光谱技术发现的,而光栅光谱仪是研究光谱的重要工 具. 【实验目的】 1.了解光栅光谱仪器的基本原理及其应用; 2.学习光栅光谱仪的使用方 法,测绘不同物质的光谱图. 【实验原理】 1.光谱仪器的基本组成 光谱仪器是进行光谱研究和物质光谱分析的装 置.它的基本作用是测定被研究 的光(所研究物质发射的,吸收的,散射的 或受激发射的荧光等)的光谱组成,包 括其波长,强度和轮廓等.其通用光 路图如图 3-21 所示. 入射光由狭缝入射经反光镜反 CCD 倍增管 旋转 镜 射后照在准直物镜上,由准直物镜 形成的准直光束又反射到衍射光 栅 上, 光栅将入射光分成独立的光谱, 再经物镜反射后形成不同颜色的 狭 缝的像,即光谱,可由 CCD 接收或 物镜 经光电倍增管放大接收. 因 此,光谱仪器至少应具备三 光栅 种功能: (1) 可以将被研究的光按波长 或波 数分解开来. 入射光 (2) 可以测定各波长的光所具有的 图 3-21 光 栅光谱仪通用光路图 能量, 或能量按波长或波数的分布, 即可以测量谱 线的轮廓或宽度. (3)可以记录能量按波长或波数的分布,并以光谱图的 方式显示出来. 2.光谱仪器的基本特性 光谱仪器的主要基本特性:工作 光谱范围,色散率,分辨率,光强度及工作效 率等. (1)工作光谱范围 指使 用光谱仪器所能记录的光谱范围.若改变光栅表面反射膜 层的光谱反射 率,反射式光栅可以用于整个光学光谱区.但光电倍增管的光谱灵敏 度