大学物理实验---单色仪的定标和光谱测量

G
M2 M1
S2 PMT
S1：入射狭缝 G：闪耀光栅 S2：出射狭缝 M2：反光镜 M1：离轴抛物镜 PMT：光电倍增管
如下图所视，当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为φ（见图） 时，光栅的闪耀角为θ 。 取一级衍射项时，对于入射角为φ，而衍射角 为θ时，光栅方程式为： d(sinφ＋sinθ)= λ
������2 =
|497.812−497.78| 497.78 498.2
2、498.250 =0.006% =0.01%
|498.250−498.2|
2、
低压汞灯光谱测量
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BY 王有识
实 验 报 告
Figure 5 低压汞灯 黄光 强
峰值数据：1、576.925 与标准值之间误差：������1 =
λf
D；
= a= W0 0.86 a = n
Hale Waihona Puke λfD 时最佳 （D 为光栅的宽度， f 为等效会聚透
镜的焦距） 3、
单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和 计算？
答：理论分辨本领 R 的 R = λ = mN 计算： dλ m=1， 为光栅的总线条数。 N
m 为干涉级次，
实际分辨本领的测量和计算，原理和操作如下：
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BY 王有识
实 验 报 告
LED 灯能让很小的通过电流几乎全部转化成可见光。 LED 灯具有以下优点： 一、高光效 LED 光效达 50～200 流明/瓦，光谱窄，单色性好，
几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。 二、高节能 具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个 10～
12 瓦的 LED 光源发出的光能与一个 35～150 瓦的白炽灯发出的光能 相当。同样照明效果 LED 比传统光源节能 80%～90%。 三、 光色多 可以选择白色或彩色光， 红色、 黄色、 蓝色、 绿色、
|491.637−491.60| 491.60
=0.008%
峰值数据：
与标准值之间误差：������1 =
1、585.925 ������2 =
|585.925−585.92| 585.92 589.02
Figure 7 低压汞灯 黄光 弱 |589.000 −589.02|
2、589.000 =0.0009% =0.003%
实验数据及数据处理：(数据以文本文档中为准)
1、 光栅单色仪的定标―――钠灯光谱
Figure 1 钠灯光谱主线系
峰值数据：
与标准值之间误差：������1 =
1、589.000
|589.000−589.0| 589.0 页 3
2、589.625
=0.00%
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������2 =
|589.625−589.6| 589.6
本组实验由于测蓝绿光的弱光谱， 而实验环境中并不是完全黑暗， 难免会有光对实验产生干扰， 所以实验所得的图像很不理想， 但是还 是可以分辨出波峰。 并且数据分析表明所得的结果与标准值相差不是 很大，因此可以认为实验是有效的。
3、
红宝石晶体的发射和吸收光谱测量
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BY 王有识
实 验 报 告
峰值数据：
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BY 王有识
实 验 报 告
因此当φ、 θ一定时， 波长λ与 d 成正比。 几何光学的方向为闪耀方向， 则可以算出不同入射角时的闪耀波长， 由于几何光学方向为入射角等 于反射角的方向，即 φ − θ b = −θ − (−θ b ) ，所以有 θ 为：
d (sin φ + sin( 2θ b − φ )) = λ
思考题：
1、
说明钨灯、钠灯和汞灯的光谱的区别和道理？
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BY 王有识
实 验 报 告
答：可以看出钨灯的光谱是比较连续的，并且范围很大，而钠灯 和汞灯的光谱则是分立的； 原因，可能是因为钠灯和汞灯是高温气体产生光的，而钨灯则是 靠高温固体发光。 2、
如何求出入射狭缝的最佳宽度？
答： 当
an W0 0.86 = =
BY 王有识
实 验 报 告
峰值数据：1、568.250 与标准值之间误差：������1 =
|568.250−568.3| 568.3 568.86
2、568.825 =0.009% =0.006%
������2 =
|568.7−568.86|
Figure 4 钠灯光谱漫线系 2
峰值数据：1、497.812 与标准值之间误差：������1 =
1、692.875
Figure 8 红宝石晶体的发射谱线
2、694.288
Figure 9 红宝石晶体的吸收谱线
峰值数据：1、361.8 1477.0
330.00
2、472.5
1864.0
3、623.1
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BY 王有识
实 验 报 告
Figure 7 红宝石晶体的吸收谱线 背景
峰值数据：1、479.3
图 11 合成红宝石吸收光谱
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实 验 报 告
结论：由图可以看出红宝石对波长为 428.5nm 和 549.2nm 左右 的光吸收最为明显。
红宝石晶体的发光原理： 红宝石晶体的基质是 Al2O3，晶体内掺有约 0.05%（重量比）的 Gr2O3。Cr3+密度约为，1.58×1019/厘米 3。Cr3+在晶体中取代 Al3+ 位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在氦氖灯照射下， 红宝石晶体中原来处于基态 E1 的粒子，吸收了氦氖灯发射的光子而 被激发到 E3 能级。 大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级 E2， 处于亚稳态 E2 的离子跃迁到基态 E1 时辐射出光， 这就是红宝石的发 光原理。
实 验 报 告
=0.004%
Figure 2 钠灯光谱锐线系
峰值数据：
与标准值之间误差：������1 =
1、615.413 ������2 =
|615.413−615.4| 615.4 616.0
2、616.050
|616.050−616.0|
=0.002% =0.008%
Figure 3 钠灯光谱漫线系 1 页 4
实 验 报 告 实验题目： 实验目的： 单色仪的定标和光谱测量
了解光栅单色仪的原理,结构和使用方法，通过测量 钨灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。
实验原理：
一.光栅单色仪的结构和原理 如下图所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统， 2、分光系统，3、接受系统。单色仪的光源有：火焰、 电火花、激 光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等） 、星体、太阳等。
D
光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径， 实验中 f＝500mm， D=64mm。 根据光学的理论知识可知， 光栅的特性主要有： 谱线的半角宽度、 角色散率和光谱分辨本领。根据光学的理论知识可以知道，光栅的特 性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。理论上它们 分别为：
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b a
∆λ = δλ δλ = λ2 − λ1 λ = (λ2 + λ1 ) / 2 λ R= ∆λ
测出 a 和 b。测出λ1 和λ2 的粗略值，再测出精确的λ1 和λ2 的值 和半峰。由以上公式计算出实际分辨本领。
4、比较单色仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两者差别大的
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实 验 报 告
红宝石的应用： 红宝石激光器是医学、 工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪 器设备。
4、
LED 光谱的测量
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实 验 报 告
峰值数据：1、 463.750
LED 灯发光的工作原理: LED 是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的核 心部分是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负 极，另一端是连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导 体晶片由三部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地 位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子，中间通常是 1 至 5 个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空 穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子 的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜 色，是由形成 P-N 结的材料决定的。 LED 灯发光的应用：
2332.0
借助于 origin 由图 10 及图 9 横坐标对应的纵坐标相减得的被吸收的 谱线如下图 11
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
实验小结： 1、 在实验开始时，应估计好狭缝的宽度，以便更方便 的找到吸收光谱； 2、 在实验进行中，应该关闭其他用不到的光源，一个 原因是要防止光源发出的光对实验光源产生干扰， 另一个原因是光源本身是有一定寿命的，减少其点 亮时间以延长期使用期限； 3、 在开始实验时，在没有关灯的情况下是不可以加电 压的，是为了防止损坏光倍增管，在关灯后才可以 加电压； 4、 实验中最重要的就是光路的调节，调节时要细心并 且耐心，在必要的时候，可以用一张白纸放置于狭 缝处以便调整透镜来聚光； 5、 实验中，为了更快的验证光路是否调整正确，可以 先用粗分辨率进行扫描，有时也可以把扫描区间设 置的小一些，这样可以有效提高实验效率；
光源供电时，达到最大照度的时间小于 10ms。 七、运行成本低 其他光源不仅耗电是 LED 光源的 2~10 倍，而
且几乎每月都要更换，在器件更换和人工方面的花费很大。因此选用 使用寿命长的 LED 光源从长远看非常经济。