近代物理實驗 光柵光譜儀實驗 提要 實驗背景實驗目的實驗儀器實驗原理思考問題注意事項 1 光譜 按一定次序排列的彩色光帶 2 光譜分類 1 按照波長劃分 射線 0 04nm以下 X射線 0 04 5nm 光學光譜 5nm 600 m 微波波譜 1mm 1m 通常所說的光譜僅指光學光譜 2 按其外形劃分 連續光譜 帶光譜和線光譜 3 按照電磁輻射的本質劃分 分子光譜 原子光譜 X射線能譜和 射線能譜 實驗背景 光譜 發射光譜 定義 由發光體直接產生的光譜 連續光譜 產生條件 熾熱的固體 液體和高壓氣體發光形成的 光譜的形式 連續分布 一切波長的光都有 線狀光譜 產生條件 稀薄氣體發光形成的光譜 光譜形式 一些不連續的明線組成 不同元素的明線光譜不同 又叫特征光譜 吸收光譜 定義 連續光譜中某些波長的光被物質吸收后產生的光譜 產生條件 熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體后 再色散形成的 光譜形式 用分光鏡觀察時 見到連續光譜背景上出現一些暗線 與特征譜線相對應 3 光譜的特點及成因 光譜分析 由于每一種元素都有自己的特征譜線 因此可以根據光譜來鑒別物質和確定它的化學組成 這種方法叫做光譜分析 光譜儀 光譜儀是指利用折射或衍射產生色散的一類光譜測量儀器 光柵光譜儀是光譜測量和分析中最常用的儀器 1 了解光柵光譜儀的工作原理2 掌握利用光柵光譜儀進行測量的技術 實驗目的 WDS8A型組合式多功能光柵光譜儀計算機氘燈 鈉燈 汞燈等各種光源 實驗儀器 1 光柵光譜儀結構示意圖 由入射狹縫S1 準直球面反射鏡M1 光柵G 聚焦球面反射鏡M2以及輸出狹縫S2構成 實驗原理 衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件 它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面 可以是平面或凹面 刻畫出一系列平行 等距的刻線 然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質膜 就構成一塊反射試驗射光柵 相鄰刻線的間距d稱為光柵常數 通?？叹€密度為每毫米數百至數十萬條 刻線方向與光譜儀狹縫平行 光柵方程 衍射角度隨波長的變化關系 稱為光柵的角色散特性 當入射角給定時 可以由光柵方程導出 復色入射光進入狹縫S1后 經M2變成復色平行光照射到光柵G上 經光柵色散后 形成不同波長的平行光束并以不同的衍射角度出射 M2將照射到它上面的某一波長的光聚焦在出射狹縫S2上 再由S2后面的電光探測器記錄該波長的光強度 光柵G安裝在一個轉臺上 當光柵旋轉時 就將不同波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上 光電探測器記錄不同光柵旋轉角度 不同的角度代表不同的波長 時的輸出光信號強度 即記錄了光譜 這種光譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進行記錄 稱為光柵單色儀 在使用單色儀時 對波長進行掃描是通過旋轉光柵來實現的 通過光柵方程可以給出出射波長和光柵角度之間的關系 如圖所示 其中 為光柵的旋轉角度 為入射角和衍射角之和的一半 為一常數 對給定的單色儀來說 有三個部分 1光學系統2電子系統3軟件系統 WDS系列多功能光柵光譜儀結構框圖如圖所示 實驗裝置 M1準光鏡 M2物鏡 M3轉鏡 G平面衍射光柵 S1入射狹縫 通過旋轉M3選擇出射狹縫S2或S3從而選擇接收器件類型 出射狹縫為S2則為光電倍增管或硫化鉛 鉭酸鋰 TGS等接收器件 出射狹縫為S3則為CCD接收器件 光學系統 光譜儀光學系統采用C T型 如圖所示 入射狹縫 出射狹縫均為直狹縫 寬度范圍0 2mm連續可調 光源發出的光束進入入射狹縫S1 S1位于反射式準光鏡M2的焦面上 通過S1射入的光束經M2反射成平行光束投向平面光柵G上 衍射后的平行光束經物鏡M2成像在S2上 或經物鏡M2和M3平面鏡成像在S3上 光源系統為儀器提供工作光源 可選氘燈 鎢燈 鈉燈 汞燈等各種光源 2020 3 10 17 可編輯 2電子系統電子系統由電源系統 接收系統 信號放大系統 A D轉換系統和光源系統等部分組成 電源系統為儀器提供所需的工作電壓 接受系統將光信號轉換成電信號 信號放大器系統包括前置放大器和放大器兩個部分 A D轉換系統將模擬信號轉換成數字信號 以便計算機進行處理 3軟件系統軟件系統主要功能有 儀器系統復位 光譜掃描 各種動作控制 測量參數設置 光譜采集 光譜數據文件管理 光譜數據的計算等 WDS系列多功能光柵光譜儀的控制操作由計算機操作和手工操作來完成 單色儀的入射狹縫寬度 出射狹縫寬度和負高壓 光電倍增管接收系統 不受計算機控制用手工設置以外 其它的各項參數設置和測量均由計算機來完成 WDS系列多功能光柵光譜儀器系統操作軟件根據型號不同和接收儀器不的同配有PMT操作系統和CCD操作系統 每一系統均可采用快捷鍵和下拉菜單來進行儀器操作 3 1PMT操作系統3 1 1開機與系統復位確認光柵光譜儀已經正確連接并打開電源 在WONDOWS操作系統中 從 開始 程序 WDS系列光柵光譜儀 中執行相應的PMT可執行程序 或雙擊桌面上的快捷方式 啟動系統操作程序 在系統初始化過程后應有波長復位正確的提示 然后按 確定 進入系統操作主界面 軟件系統 參數設置即根據測量需對系統參數進行相應的參數設置 光譜掃描根據當前參數設置對當前光譜進行記錄 數據處理 讀取數據讀取當前圖譜的橫 縱坐標數據 可選擇列表方式或光標讀取方式 3 1 4退出系統與關機當系統測試結束后 將出射 入射狹縫調節至0 1mm左右 若有負高壓系統 則將負高壓調節至零 點擊菜單欄中 文件 退出系統 按照提示關閉電源退出儀器操作系統 五實驗內容和步驟 1 開機之前請認真檢查光柵光譜儀的各個部分 單色儀主機 電控箱 接受單元 計算機 連線是否正確 保證準確無誤 為了保證儀器的性能指標和壽命 在每次使用完畢 將入射狹縫寬度 出射狹縫寬度分別調節到0 1mm左右 在儀器系統復位完畢后 根據測試和實驗的要求分別調節入射狹縫寬度 出射狹縫寬度到合適的寬度 2 接收單元WDS系列多功能光柵光譜儀根據儀器型號的不同配有光電倍增管 CCD 硫化鉛 鉭酸鋰 TGS等不同接收單元 注意 若采用光電倍增管作為接收單元 不一定要在光電倍增管加有負高壓的情況下 使其暴露在強光下 包括自然光 在使用結束后 一定要注意調節負高壓旋鈕使負高壓歸零 然后再關閉電控箱 3 狹縫調節儀器的入射狹縫和出射狹縫均為直狹縫 寬度范圍0 2mm連續可調 順時針旋轉為狹縫寬度加大 反之減小 每旋轉一周狹縫寬度變化0 5mm 最大調節寬度為2mm 為延長使用壽命 狹縫寬度調節時應注意最大不要超過2mm 儀器測量完畢或平常不使用時 狹縫最好調節到0 1mm05mm左右 4 電控箱的使用電控箱包括電源 信號放大 控制系統和光源系統 氘燈和鎢燈可選件 不包括在光譜儀器的標準配置中 在運行儀器操作軟件前一定要確認所有的連接線正確連接且已經打開電控箱的開關 5 采用標準光譜燈進行波長校準光柵光譜儀由于運輸過程中震動等各種原因 可能會使波長準確度產生偏差 因此在第一次使用前用已知的光譜線來校準儀器的波長準確度在平常使用中 當對光柵光譜儀器系統檢測發現系統波長值與準確波長不對應時 可通過此項對系統波長進行校正 在對話框中輸入系統值與實際波長值的差值 點擊確定即可 零點波長校正檢查儀器波長準確度可用氘燈 標準值為486 0nm和656 1nm 鈉燈 標準值為589 0nm和589 6nm 汞燈 標準值為404 7nm 435 8nm 546 1nm 577 0nm 579 0nm 以及其它已知光譜線的來源來進行 例 用氘燈譜線校準利用氘燈的兩根譜線的波長值 標準值為486 0nm和656 0nm 來進行校準儀器 根據能量信號大小手工調節入射狹縫和出射狹縫 掃描氘燈光譜 如果波長有偏差 用 零點波長校正 功能進行校正 6 分別掃描不同光源的光譜調節光源 使其在單色義的波長范圍內有最大的輸出 根據測量對系統參數進行相應的設置 根據測量學要對出射 入射狹縫寬度進行相應的設置 按 3軟件系統 進行操作 思考題 簡述WDS8A型多功能光柵光譜儀的組成 簡述WDS8A型多功能光柵光譜儀電子系統的組成和各部分的作用 簡述WDS8A型多功能光柵光譜儀軟件系統的主要功能 思考題 WDS系列多功能光柵光譜儀 由光柵單色儀主機 掃描系統 接收單元 信號放大系統 A D采集單元和計算機組成 實驗儀器各部分名稱和作用本實驗