多功能光栅光谱仪的使用及实验 -PPT课件
4-04 光栅光谱仪
5.1 实验装置和衍射图样 5.2 N缝衍射的振幅和强度分布 5.3 缝间干涉因子的特点 5.4 单缝衍射因子的作用 补：干涉和衍射的区别与联系 5.5 复振幅的计算 黑白光栅和正弦光栅
第三章：光的干涉 § 5 多缝夫琅和费衍射
光栅(grating)：具有周期性空间结构或光学性能的衍射屏统 称为光栅
2
a sin d sin
缝间干涉因子（N元干涉因子） 单缝衍射因子（单元因子）
sin sin N I I 0 sin
2
2
N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 N=7
第三章：光的干涉 § 5 多缝夫琅和费衍射：
5.2 N缝衍射的振幅和强度分布
a OC 2 sin
OB N 2 OC sin N
sin N A a sin 2 sin N I a sin
其中：
2
2 2 sin sin N a0 sin
Nd cos k
第三章：光的干涉 § 5 多缝夫琅和费衍射
5.3 缝间干涉因子的特点 零点：
m 位置 sin k N d
k 0 , 1, 2 , , n m 1, 2 , , N 1
次极大： 数目 N 2 N=4 N=5
单位：mm/nm
焦距越大、色散本领越大，线色散本领越大。
第三章：光的干涉 § 6 光栅光谱仪
6.2 光栅的色散本领和色分辨本领 色分辨本领：
Nd cos k i) 最小分辨波长： D kN ii) 分辨本领：R kN
物理实验之光栅光谱仪的使用
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，其原理如图2所示。
2 光栅光谱仪：
多功能光栅光谱仪(单色仪)是一个光谱分析研究 的通用设备。可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元素
光谱（使用元素灯作为光源）。本实验中使用的就是 WDS-8型光栅光谱仪。
光栅光谱仪结构如图1 所示。光栅光谱仪的色散 元件为闪耀光栅。
图1 光栅光谱仪的内部结构
近代物理实验 光栅光谱仪的使用
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。
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 m 表示。根据维恩（Wien）位无反射吸收，
m ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
光栅光谱仪的使用技巧与光谱解读
光栅光谱仪的使用技巧与光谱解读光栅光谱仪是一种常用的光学仪器，用于分析物质的光谱特性。
它可以通过光的折射、反射等现象将光分解成不同波长的颜色，并用光栅进行分光，最终得到光谱图。
本文将介绍光栅光谱仪的使用技巧以及如何解读光谱图。
一、光栅光谱仪的使用技巧1. 准备工作在使用光栅光谱仪之前，首先需要对仪器进行准备工作。
检查仪器是否正常运行，保证光源的光强和稳定性，调整光栅的位置和角度等。
还需要清洁仪器，确保光学元件的透明度和表面平整度。
2. 光谱采集光谱采集是使用光栅光谱仪的关键步骤。
在进行光谱采集时，应选择合适的光源和样品，并将样品固定在光路中。
根据需要，可以选择透射光谱或者反射光谱进行测量。
在光谱采集过程中，需要注意光栅的选取和调整。
光栅的刻线数目和刻线间距会影响到光谱的分辨能力和精确度。
此外，还需根据样品的性质和所需的测量范围，选择合适的光栅波长范围。
3. 数据处理光栅光谱仪采集到的光谱数据通常是以图像或光强数据显示的。
对于图像数据，可以通过图像处理软件对图像进行分析和处理。
对于光强数据，可以使用光谱分析软件进行分析。
在数据处理过程中，需要进行背景校正和信号平滑处理，以提高数据的准确性和可靠性。
此外，还可以进行峰识别和峰拟合，以获得更详细的光谱信息。
二、光谱解读光谱是物质相互作用后产生的一种特征性信息，通过对光谱的解读可以获取样品的成分、结构和性质等信息。
1. 波长和强度光谱中的波长和强度是光谱解读的基本要素。
波长可以用来确定光的颜色及其对应的频率和能量，不同波长的光在相互作用后会有不同的行为。
强度则反映了光的辐射能力，可以用来确定样品吸收、发射或散射光的强弱。
通过对波长和强度的分析，可以了解样品的能级结构、激发态和基态等信息。
2. 谱线和峰光谱图中的谱线和峰是光谱解读的重要指标。
谱线是指光谱图中产生的光谱线条，可以用来确定样品中的特定成分或物理现象。
峰则是光谱图中的波峰，表示光强的峰值。
峰的位置、高度和形状都可以提供关于样品的信息。
实验4 光栅光谱仪实验
实验四 光栅光谱仪实验一、实验目的1、了解光栅光谱仪的工作原理2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术二、实验仪器WDS 系列多功能光栅光谱仪, 计算机系统三、实验原理光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。
光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。
它由入射狭缝S 1、准直球面反射镜M 1、衍射光栅G 、聚焦球面反射镜M 2、输出狭缝S 2/S 3以及光电倍增管PMT/电荷耦合器件CCD 等光电接收转换器件构成。
图1光栅光谱仪示意图 图2 光栅转动系统示意图衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。
相邻刻线的间距d 称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。
入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差Δs = d (sin α ± sin β)，α为入射角，β为衍射角，则可导出光栅方程：(sin sin )d m αβλ±= (1.1)该方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d 联系起来，λ为入射光波长，m 为衍射级次，取0, ±1, ±2, ····· 等整数。
式中的“±”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。
如果入射光为正入射α=0，光栅方程变为d sin β = m λ。
衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由(1.1)导出 d d cos m d βλβ= (1.1) 复色入射光进入狭缝S 1后，经M 2变成复色平行光照射到光栅G 上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S 2上，再由S 2后面的电光探测器记录该波长的光强度。
光栅光谱仪的使用
光栅光谱仪的使用实验预习报告学院机械工程班级物流1602学号41604561姓名潘菁一、实验目的与实验仪器【实验目的】1）了解平面反射式闪耀光栅的分光原理及主要特性。
2）了解光栅光谱仪的结构，学习使用光栅光谱仪。
3）测量钨灯和汞灯在可见光范围的光谱。
4）测定光栅光谱仪的色分辨能力。
5）测定干涉滤光片的光谱透射率曲线。
【实验仪器】WDS-3平面光栅光谱仪，汞灯，钨灯&氘灯组件，干涉滤光片等。
二、实验原理1.平面反射式闪耀光栅原理（1）平面反射式光栅与光栅方程平面反射式光栅是在衬底上周期地刻划很多细微的刻槽，表面涂有一层高反射率金属膜，其横断面如图所示。
平面反射式光栅衍射如图所示。
()λθksin=sin+id=这是平面反射式光栅的光栅方程，其中d为光栅常数，k是光谱级。
规定衍射角θ恒为正，i 与θ在光栅平面法线的同侧时为正，异侧为负。
在常用的平面光栅光谱仪中，安放光栅的方式使光栅方程转化为λθk d =sin 2从上式可以看出，λk 值相同的谱线，衍射角度θ相同，即在相同的衍射角度θ出现衍射级次为、、、321===k k k …不同波长的光同时出现的情况，这些波长满足32321λλλ==的关系。
（2）闪耀问题图是N=4时的光栅相对光强分布曲线。
从图中可以看到，θααsin sin -曲线是包在θββsin sin sin -N 曲线外面的“包络”，它决定后者在什么地方高、在什么地方低，即决定光谱线的强度。
由此可见，衍射因子决定光谱线的强度，干涉因子决定光谱线的位置。
在常用的平面光栅光谱仪里，所拍摄的光谱满足i =θ，可以推出这时有γθ==i ，有kd γλsin 2=通常把这个波长叫做闪耀波长。
2.平面光栅光谱仪结构与组成本实验所用平面光栅光谱仪外观如图所示。
光栅光谱仪主要由光学系统、电系统和计算机组成。
整套仪器由计算机控制。
（1）光学系统光栅光谱仪光学系统原理如图所示。
光源发出的光进入狭缝S1，S1位于反射式准光镜的焦面上，通过S1射入的光束M1反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光经物镜成像在S2上。
多功能光栅光谱仪的使用及实验 -
R R
(nl)2 (nl)2
如果令 n,l 固定，而 n依次改变（l 的选择定则为
l =±1），则得到一系列的 % 值，它们构成一个光 谱线系。光谱中常用 n,l ，nl 这种符号表示线系。
l 0,1,2,3
分别用S,P,D,F表示。钠原子光谱有四个线系：
主线系（P线系）：3S-nP，
n=3,4,5,…；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
漫线系（D线系）：3P-nD,
n=3,4,5,…；
锐线系（S线系）：3P-nS，
n=4,5,6,…；
基线系（F线系）：3P-nF，
n=4,5,6,…；
在钠原子光谱的四个线系中，只有主线系的下级 是基态（3S1/2能级），在光谱学中，称主线系的第 一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名 的黄双线（589.0nm和589.6nm）。
原子能量的这两项修正都与价电子的角动量有关，
角量子数l 越小，椭圆轨道的偏心率就越大，轨道贯穿
和原子实极化越显著，原子能量也越低。因此，价电
子越靠近原子实，即n越小、l 越小时，量子缺Δ越大
（当n较小时，量子缺主要决定于l，实验中近似认为
Δ与n 无关）。
电子由上能级（量子数为 n，l）跃迁到下能级（ n,l ）
nm
式中 H 为氢光谱线的波长，取3、4、5等整数。
若改用波数表示谱线，由于 % 1
则上式变为 ~109 6(7 18 1)cm 1
22 n2
式中109678cm-1叫氢的里德伯常量。
由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为：
~ARA[(n11z)2 (n21z)2]
上式的
RA(40)22ch3 2m (14emMA)
WGD-8_8A型_组合式多功能光栅光谱仪_说明书资料
一．规格与主要技术指标焦距 500mm波长区间 8A 型：200-660 nm 8型：200-800 nm 相对孔径 D/F ＝1/7光栅 8A 型：2400l /mm λ闪=250nm 8型：1200l /mm λ闪=250nm 波长范围 200－660nm 波长范围 200－800nm 杂散光 ≤10－3 分辨率 8A 型：优于0.06nm 8型：优于0.1nm 光电倍增管接收 8A 型： 8型： 波长范围 200－660nm 200-800 nm 波长精度 ≤±0.2nm ≤±0.4nm 波长重复性≤0.1nm≤±0.2nmCCD(电荷耦合器件) 接收单元 2048光谱响应区间 8A 型：300－660nm 8型：300-900 nm积分时间 88档 重量25kg图2-1 光学原理图M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、G 平面衍射光栅 S1入射狭缝、S2光电倍增管接收、S3 CCD 接收二．基本原理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。
光学系统采用C-T 型，如图2-1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S1M2M1M3S2GS3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。
M2、M3 焦距500mm光栅G 8A型：2400l/mm λ闪=250nm 8型：1200l/mm λ闪=250nm波长范围200－660nm 波长范围200－800nm 滤光片工作区间8A型：白片320－500nm 8型：白片320－500nm黄片500－660nm 黄片500－800nm 注：8型和8A型的使用操作方法一致（使用同一软件进入程序后，只要选择相对应光栅数即可）三．安装3.1 开箱打开仪器的包装后，请对照装箱单对仪器的齐套性进行认真清点验收，如发现与装箱单不符或者仪器表面有明显的受损现象请立即与售方联系解决。
大学物理实验 实验要求-光栅光谱仪
光栅光谱仪实验仪器WGD-5 型组合式多功能光栅光谱仪，滤色片一组(红绿蓝黄青品），汞灯，溴钨灯。
预习思考题1．简述工作原理（不可照抄课本），在此基础上画出光栅光谱仪的光路图，。
2．改变光谱仪入射或出射狭缝的大小会对测量结果有什么影响？3．为什么波长校准时光源要选择汞灯？能否用其他的灯，请举例。
4.测量透过率曲线对光源有什么要求？汞灯是合适的光源吗？5.测量时能否第一步就使用“工作方式”中的“透射率”模式？为什么？实验内容一. 测量前的准备（自带U 盘）(1) 记录螺旋尺旋转方向与缝宽变化的关系。
(2) 打开单色仪的电源开关，探测器选用光电倍增管，将倍增管的高压调至400V(不得超过600V)。
(4) 打开计算机，进入win98 后，双击“WGD-5 倍增管”图标进入工作界面。
待系统和波长初始化完成后便可以工作。
二. 单色仪波长校准将汞灯置于入射狭缝前,打开并照亮狭缝，预热5分钟可正常工作。
探测器选用光电倍增管，高压加到400 伏。
在能量模式下测量汞灯光谱。
扫描范围350-750nm，扫描步长选1nm。
用“自动寻峰”测量谱线波长，与标准值比较，如果波长差大于1nm，进行波长修正。
说明：光源：汞灯参数设置：工作方式：模式“能量”，间隔“1nm”；工作范围：350—750nm。
狭缝宽度调节，使入射缝与出射缝相匹配。
点击“单程”，单色仪开始扫描。
扫描完成根据谱线强度重新调整入射和出射狭缝，使谱线尽量增高，并使黄线576.9nm、579.0nm 分开 (以划线谱线作为参照)（汞灯谱线：波长(nm)404.7、407.8、435.8、491.6、546.1、576.9、579.0、623.4、690.7）三. 测量滤色片透过率曲线(每扫描完一条线即存盘)光源：取下高压汞灯(注意避免烫伤)，换上溴钨灯，预热5分钟。
1.扫描基线工作方式：模式“基线”，扫描范围(400-700)nm，扫描步长选1nm。
点击“单程”，单色仪开始扫描。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
钠原子光谱项
T=
R n*2
R (n
)2
它与氢பைடு நூலகம்子光谱项的差别在于有效量子数n 不是 整数，而是主量子数n减去一个数值Δ，即量子修正 Δ，称为量子缺。量子缺是由原子实的极化和价电子 在原子实中的贯穿引起的。
碱金属原子的各个内壳层均被子电子占满，剩下 的一个电子在最外层轨道上，此电子称为价电子，价 电子与原子的结合较为松散，与原子核的距离比其他 内壳层电子远得多，因此可以把除价电子之外的所有 电子和原子核看作一个核心，称为原子实。
由于不同的元素的原子能级结构各不相同，每种元素 的光谱也犹如人的指纹一样具有自己的特征。特别是一 种元素都有被称为“住留谱线”（RU线）特征谱线，如 果试样的光谱中出现了某种元素的“住留谱线”，就是 说试样中含有该元素。
实验原理
（一）氢与氘原子光谱：
巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为：
H
364.56
多功能光栅光谱仪的使用
-氢（氘）、钠原子发射光谱的研究
一、原理
仪器设备
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。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置 （C-T）型，如图所示。
1
光电信号
步进电机 驱动脉冲
步进电机 驱动电源
步进电机控制信号
3 1
2
前置放大器
负高压
负高 压电源
负高压 控制信号
/
/
变换 变换
增益控制信号
放大的 光电信号
系统控制信号 光谱数字信号
电子计算机
光谱仪的工作原理图
光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时， 出射光通过狭缝S2到达光电倍增管。用CCD做探测器时， 转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S3到达CCD，CCD 可以同时探测某一个光谱范围内的光谱信号。
n2
6,7,8
汉弗莱斯系：
1
RH
(
1 62
1 n2
),
n
7,8,9
钠光谱实验
钠原子由一个完整而稳固的原子实和它外面的一个 价电子组成。原子的化学性质以及光谱规律主要决定 于价电子。
与氢原子光谱规律相仿，钠原子光谱线的波数可 以表示为两项差
n
R n*2
其中 n* 为有效量子数，当 n*无限大时， n ,
G O l P ¦Υ N
B
图2-2 正弦机构原理
x
本仪器主要做发射光谱实验！
所谓发射光谱就是物质在高温状态或因受到带电粒子 的撞击而激发后直接发出的光谱。由于受激时物质所处 的状态不同，发射光谱有不同的形状，在原子状态中为 明线光谱，如钠灯、汞、氢氘灯等。在分子状态中为带 光谱，如氮放电灯；在炽热的固态、液态或高压主气体 中为连续光谱，如钨灯、氘灯等。
n2 n2
4
nm
式中 H为氢光谱线的波长，取3、4、5等整数。
若改用波数表示谱线，由于 1
则上式变为 ~ 109678 ( 1 1 )cm1
22 n2
式中109678cm-1叫氢的里德伯常量。
由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为：
~A
1 RA[ (n1 z)2
1 (n2 z)2
由于价电子电场的作用，原子实中带正电的原子核 和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移，于是 负电荷的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。 极化产生的电偶极子的电场作用于价电子，使它受到 吸引力而引起能量降低。同时当价电子的部分轨道穿 入原子实内部时，电子也将受到原子产的附加引力， 降低了势能，此即轨道贯穿现象。
MD m
H
M H M H (D H D m M H )
式中 m M H 1/1836.1527 是已知值。
注意，式中各 是指真空中的波长。
同一光波，在不同介质中波长是不同的。
我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中 的波长转换成真空中的波长。但在实际测量当中，受 所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。
氢的特征谱
紫外部分：
赖曼系：
1
RH
1 ( 12
1 ), n 2,3,4 n2
可见光部分：巴尔末系：
1
R
H
(
1 22
1 ), n n2
3,4,5
红外部分：
帕邢系：
1
1 RH (32
1 n2 ), n
4,5,6
布喇开系：
1
RH
1 (42
1 n2
), n
5,6,7
蓬得系：
1
1 RH (52
1 ), n
光信号经过倍增管（或CCD）变为电信号后，首先经 过前置放大器放大，再经过A/D变换，将模拟量转变成 数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、 光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件 根据需要设置。前置放大器的增益现为1，2，…，7七 个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高 压也分为1，2，…，7七个档次，数越大所加的负高压 越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可 以在10ms-40s之间任意改变。
所以
RA
1
R mM
A
应用到H和D有：
RH
R 1 m MH
RD
R 1 m MD
可见RD和RH是有差别的，其结果就是D的谱线相对于H
的谱线会有微小位移，叫同位素位移。
H , D 是能够直接精确测量的量，测出 H , D
也就可以计算出RH , RD和里德伯常量 R ，
同时还可计算出D,H的原子核质量比：
原子能量的这两项修正都与价电子的角动量有关，
角量子数l 越小，椭圆轨道的偏心率就越大，轨道贯穿
和原子实极化越显著，原子能量也越低。因此，价电
子越靠近原子实，即n越小、l 越小时，量子缺Δ越大
（当n较小时，量子缺主要决定于l，实验中近似认为
扫描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅 方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦 机构。）中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步 进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度， 相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一 组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变 0.1nm。
]
上式的
RA
2 2me4 (4 0 )2 ch3 (1 m
M A)
是元素A的理论里德伯常量，z是元素A的核电荷数，
n1,n2为整数，m和e是电子的质量和电荷，是真空介电
常量，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的
质量。
显然，RA随A不同略有不同，当MA→∞时，便得到里德 伯常量：
2 2me4 R (4 0 )2 ch3