棱镜光栅型成像光谱仪ppt

1914年劳厄获诺贝尔 晶体 底片 物理学奖
二、晶体对X 射线的衍射
天然晶体的点阵间距与X射线的波长同数量级（10-8cm）， 可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅。
劳厄于1912年利用右图所示 的实验装置，进行了晶体对X 射 线的衍射实验，在乳胶板上观察 到了对称分布的若干衍射斑点， 称为劳厄斑。
Dl ≈0.1～1mm/埃.
4、光栅的色分辨本领
色散本领只反映谱线（主极强）中心分离的程度，它 不能说明两条谱线是否重迭，要分辨波长很接近的谱线需
要每条谱线都很细。
λ λ+δλ 角间隔：δθ 谱线半角宽度:Δθ 无法分辨:Δθ＞δθ 刚好分辨:Δθ =δθ 较好分辨:Δθ＜δθ （见图2-2）
瑞利判据：
d
晶面的平面簇（如右图示），平 面簇间的间距均为d。
2
NP M
d
2、布喇格方程
3
一束平行光与晶面成α0角入射到晶面上，则：同一晶面上相邻粒子（如A、 B）散射的光波的光程差零 AD-BC= 0， 它们相干加强。若要在该方向上 不同晶面上粒子散射光相干加强，则相邻层对应粒子必须满足：
sinθk=kλ/d → cos θk δθk=kδλ/d
Dθ=δθ/δλ=k/d cos θk
Dl= δl /δλ=k ƒ / d cos θk
Dθ ∝ 1/d
Dl ∝ f/d
为了增大角色散本领d要小，每mm内数
百条或上千条缝： d≈10-2 ～10-3mm。
对于1级光谱（k=1）: Dθ ≈0.1ˊ/埃～ 1ˊ/埃，为了增大线色散本领， ƒ常达数米,
验证了X射线的波动性，也 因此获得了1914年的诺贝尔物 理学奖。
P B
C
X射线
天然 乳胶板 晶体 铅版
1913年英国物理学家布喇格父子提出一种简化了的 研究X射线衍射的方法，与劳厄理论结果一致。
三、布喇格方程
1、点阵平面簇
构成晶体的粒子（如原子）密集 地排列成一系列平行于晶体天然
CD
1 0 A B
二、光栅的色散本领和色分辨本领
1、光栅的性能标志主要有两个：色散本领和
色分辨本领。
2、色散本领：为了描述波长差δλ的两条谱线
其角间隔δθ或在幕上的距离Δl有多大.
角色散本领定义：Dθ=δθ/δλ 线色散本领定义：Dl= δl /δλ 设光栅后面聚集物镜焦距为f:
δl=fδθ
Dl =ƒDθ
3、光栅的色散本领：
， j= 1, 2, 3, ···
单缝衍射中央主极大方向
光栅衍射中央主极大方向
2q b
=q0
qb d
图4.4-11 闪耀光栅的衍射（垂直栅面照射）
结论：满足以上 闪耀条件时，波长lb的第j级谱线将被转移到单槽衍射的0级 极大值方向，从而大大提高谱线的亮度。通过闪耀角qb的不同设计，
可以使光栅适用于某一特定波段的某级光谱上。
d≈a j=2 N=20
d≈a j=1 N=20
-3 -2 -1 0 1 2 3
图4.4-12 闪耀光栅的衍射原理
光
狭缝S1
源
闪耀光栅 G
探
测
器
狭缝S2
M1 凹面反射镜
M2
图4.4-13反射式光栅单色仪结构光路
§3 三维光栅 晶体对 X 射线的衍射
一、X 射线 1、定义：
高速电子束轰击固体靶时所产生 的一种波长极短的电磁辐射。
高压
1895年德国的伦琴偶然发现。故也称伦琴射线。
2、特点：
# 在电磁场中不发生偏转。
K
A
# 穿透力强
# 波长极短， 范围在0.001nm~10nm之间。当遇含杂质的溶液时能发生散射。
# 能使许多固体发出可见荧光
# 能使空气电离 # 能使照像底片感光
Байду номын сангаас X 射线
德国物理学家伦琴1895年 11月发现
12月22日伦琴为夫人的手拍 下了第一张 X 光照片
1901年伦琴获历史上第一 个诺贝尔物理学奖
X射线由高速电子流轰击阳极而得
阴极
阳极
X 射线管
波长在0.1--100A的电磁波，介于紫 外和 射线之间
1912年德国物理学家劳厄利用晶体 中规则排列粒子作为三维光栅，观 测到了x射线衍射图样 ----波动性
x射线衍射实验已
铅板
是晶体结构研究
的重要手段
Δθ=δθ 两条谱线刚好分辨的极限 谱线的半角宽度：△θ=λ/(N d cosθk )
δλ=δθ /Dθ= △θ/Dθ = (λ/N d cosθk ) / [k /(d cosθk) ] =λ/(N k)
δλ越小，色分辨本领越大。 分光仪器的色分辨本领定义为：R=λ/δλ 光栅的色分辨本领公式为：R=N k 只与k、N有关，与d无关。
4.2 衍射光栅
光栅光谱
分光原理：根据光栅方程，在给定亮纹级次情况下，衍射角与波长成正比。 因此，复色光照射时，同一级次不同波长的衍射主极大值位置 不同，从而形成的一组不同波长彼此分开的锐细的彩色谱线--光栅光谱。
光栅光谱仪：基于光栅衍射分光原理的光谱仪——摄谱仪、单色仪、分光计。
0级衍射
白 光
L1
① 平行光束垂直刻槽表面入射 单槽衍射的0级方向正好沿入射光方向返回。光栅衍射的0级主极大值
中心位于-qb方向（与入射光线相对于光栅平面法线呈镜面对称）。相邻刻 槽反射的光束在其反射方向的光程差为D=2dsinqb。对于波长为lb的单色成
分，在该方向上出现相长干涉的条件是：
， j=1, 2, 3, ···
闪耀波长： lb；闪耀级次：j
闪耀光栅的特点：单槽宽度a与刻槽间距d相差很小，故其它衍射级次（包 括中央0级）都因几乎落在单槽衍射的极小值位置而形成缺级，从而
将80%～90%的光能量都集中到lb成分的第j级谱线上。当a取值很小
时，单槽衍射的中央主极大分布较宽，从而可使得位于闪耀波长附 近波段的光谱强度都得到提高。
单缝衍射中央主极大方向
光栅衍射中央主极大方向
q b -q b
D qb
d
图4.4-10 闪耀光栅的衍射（垂直槽面照射）
② 平行光垂直光栅平面入射
由于刻槽表面相对于光栅面法线方向夹角为qb，单槽衍射的0级极大值 不再沿刻槽面法线方向，而是沿与光栅面夹角q0=2qb的反射方向。相邻刻 槽表面反射的光束间的光程差变为：D=dsin(2qb)。因此，闪耀条件变为
光
源
平行光管 S
光栅
L2
蓝 绿 红
图4.4-8 光栅光谱仪原理
2、用缝光源照明时，看到的衍射图样中， 有几套不同颜色的亮线（谱线），它们各 自对应一个波长。
各种波长的同级谱线集合起来构成光 源的一套光谱，光栅具有分光作用。
3、光栅的光谱与棱镜的光谱有一个重要的 区别：光栅的光谱一般有许多级，每一级 是一套光谱，总的有几套光谱，而棱镜光 谱只有一套。