10、光柵光譜儀的使用

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)2光柵光譜儀的使用深圳大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)背景

1666年，牛頓通過(guò)三棱鏡，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光經(jīng)三棱鏡折射后，呈現(xiàn)彩色光，稱為光的色散。1814年，夫瑯和費(fèi)采用狹縫在研究玻璃對(duì)各種顏色光發(fā)折射率時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了燈光光譜中的橙色雙線，在1822年用鉆石刻刀在玻璃上刻劃細(xì)線的方法制成了衍射光柵。本生與基爾霍夫在19世紀(jì)60年代發(fā)展起實(shí)用光譜學(xué)，他們系統(tǒng)地研究了多種火焰光譜和火花光譜，并指出，每一種元素的光譜都是獨(dú)特的，并且只需極少里的樣品便可得到。1859年，他們研制出了第一臺(tái)實(shí)用的光譜儀。1、光譜學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)；2、了解光柵光譜儀的工作原理；3、掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)量的技術(shù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)原理/2.1光譜的產(chǎn)生和分析光譜的產(chǎn)生：因電子的能級(jí)變化而放出或吸收能量，包括躍遷、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等；光譜的分析：定性分析和定量分析。二、實(shí)驗(yàn)原理/2.2光柵方程對(duì)同一衍射級(jí)數(shù)，波長(zhǎng)不同衍射角就不同，從而產(chǎn)生色散。光譜儀通過(guò)對(duì)衍射角的測(cè)量來(lái)確定光源的波長(zhǎng)。（1）二、實(shí)驗(yàn)原理/2.3光柵的兩個(gè)重要特性分辨本領(lǐng)：角色散：角色散描述了分光元件將光譜散開(kāi)能力的大小光柵刻痕N、光譜級(jí)數(shù)k越大，分辨本領(lǐng)R就越大，可分辨的△λ越?。?）（3）二、實(shí)驗(yàn)原理/2.4光柵的選擇選擇的原則：在能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的前提下，盡可能提升實(shí)驗(yàn)效果和降低誤差。需要考慮的因素：光柵閃耀波長(zhǎng)，測(cè)量范圍和分辨率（光柵刻線），還需考慮實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。三、實(shí)驗(yàn)光路光譜儀的實(shí)驗(yàn)光路如左圖所示。待測(cè)光線從入射狹縫S1進(jìn)入，經(jīng)準(zhǔn)直球面反射鏡M1反射后變?yōu)槠叫泄?，再?jīng)光柵G衍射后，由聚焦球面反射鏡M2匯聚到出射狹縫S2（光電倍增管）或S3（CCD）。儀器結(jié)構(gòu)如右圖所示。S1S2S3M1M2G四、實(shí)驗(yàn)步驟/4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置1、將汞燈下端銅柱對(duì)準(zhǔn)入射狹縫下的銅柱保證高度一致2、將出入射狹縫調(diào)節(jié)至0.1-0.2mm3、確保電控箱的負(fù)高壓旋鈕逆時(shí)針旋至最小值。注意：使用光電倍增管時(shí)，一定不要在光電倍增管加有高壓的情況下，暴露于自然光或任何強(qiáng)光下，否則將使倍增管壽命減小、靈敏度降低，甚至損壞倍增管。

確認(rèn)光譜儀已經(jīng)正確連接并打開(kāi)電源。執(zhí)行光柵光譜儀的操作程序。若復(fù)位異常，請(qǐng)檢查電控箱電源開(kāi)關(guān)與USB接線，確認(rèn)開(kāi)關(guān)打開(kāi)接線正常后，根據(jù)系統(tǒng)提示重新復(fù)位，即進(jìn)入儀器系統(tǒng)復(fù)位。

復(fù)位時(shí)間約5-7分鐘。四、實(shí)驗(yàn)步驟/4.2開(kāi)機(jī)與系統(tǒng)復(fù)位1、將負(fù)高壓調(diào)節(jié)至240左右，點(diǎn)擊光譜掃描。2、掃描完成后，點(diǎn)擊峰值檢索，系統(tǒng)將當(dāng)前圖譜中一定范圍內(nèi)的峰值檢索出來(lái)。3、在對(duì)話框中輸入系統(tǒng)值與實(shí)際波長(zhǎng)值的差值，點(diǎn)擊確定即可。四、實(shí)驗(yàn)步驟/4.3波長(zhǎng)校準(zhǔn)汞譜線404.7nm435.8nm546.1nm577.0nm579.0nm1、將鎢燈放置在入射狹縫處，將負(fù)高壓調(diào)節(jié)至240~260左右，點(diǎn)擊光譜掃描。2、掃描完成后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理，點(diǎn)擊檢索數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)列表，然后右鍵復(fù)制所有數(shù)據(jù)（指讀當(dāng)前圖譜文件所有的強(qiáng)度數(shù)據(jù)檢索并將結(jié)果顯示出來(lái)），導(dǎo)入至EXCEL中。3、保存文件后裝入玻璃片，然后重復(fù)4.1和4.2步驟。4、當(dāng)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)束后，將入射狹縫調(diào)節(jié)至0.1mm左右，將電控箱的負(fù)高壓旋鈕逆時(shí)針旋至最小值。點(diǎn)擊菜單欄中“文件\退出系統(tǒng)”，按照提示關(guān)閉電源退出儀器操作系統(tǒng)。四、實(shí)驗(yàn)步驟/4.4測(cè)量四、實(shí)驗(yàn)步驟/4.5重要參數(shù)的選擇1、狹縫寬度的選擇

寬度小可以提高譜線精度，但會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)光源強(qiáng)度、待測(cè)樣品性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗(yàn)，在確保檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度前提下，盡可能減小狹縫寬度。參考值0.2mm附近。在同組實(shí)驗(yàn)中，狹縫寬度保持一定。2、負(fù)高壓大小的選擇負(fù)高壓太小影響檢測(cè)強(qiáng)度，太大影響光電倍增管靈敏度和壽命。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)光源強(qiáng)度、待測(cè)樣品性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗(yàn)，在確保檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度前提下，盡可能減小負(fù)高壓。此項(xiàng)可與狹縫寬度綜合考慮。參考值240V附件。在同組實(shí)驗(yàn)中，負(fù)高壓保持一定。3、波長(zhǎng)校準(zhǔn)范圍的選擇

由于光柵的測(cè)量范圍有限，并且不同的光柵范圍不同，在進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)時(shí)不能做到線性校準(zhǔn)，而是只能校準(zhǔn)一個(gè)范圍。所以波長(zhǎng)校準(zhǔn)時(shí)在實(shí)驗(yàn)需要波長(zhǎng)的附件，選擇一條或多條標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)改變測(cè)量范圍時(shí)，校準(zhǔn)范圍也相應(yīng)改變。四、實(shí)驗(yàn)步驟/4.5重要參數(shù)的選擇四、實(shí)驗(yàn)要求1、打印汞燈校準(zhǔn)譜線，標(biāo)示波長(zhǎng)。2、在同一坐標(biāo)下作出放置玻璃片前后的鎢燈譜線圖，并做透過(guò)率對(duì)比（選擇3-5