物理实验之光栅光谱仪的使用

近代物理实验 光栅光谱仪的使用 理学院06203班 王涵 冯飞伍

光栅光谱仪的使用

王涵 冯飞伍

（北京邮电大学 理学院 06203班）

【摘要】：在本实验中，我们使用Na灯校准了光谱仪，采校准的光谱仪对氢—氘原子，Hg 灯的光谱进行了

测量，并测定钨灯照射下黄色滤色片的透过率.绘制氢—氘原子，Hg灯光谱及滤色片的透过率曲

线，给出主要谱线波长及相对强度，与理论值进行比较。

【关键词】：光谱图；透过率曲线；

【Abstract】：During the experiment, we use sodium lamp to calibrate the spectrometer, and measure the

spectrum of deuterium atom and mercury lamps with the calibrated spectrometer. We also determine the transmission of the yellow filter. According to the data we acquired in the laboratory, we picture the spectrum chart of these sources and the transmittance curve, compare with theoretical value correspondingly. The major wavelength and the intensity of each source are also given in this experiment.

【Keywords】: spectrum chart; transmittance curve;

1 引言：

光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来自对各种原子光谱的研究。通过光谱研究，可以得到所有研究物质中含元素的组分和原子内部的能级结构及相互作用等方面的信息。在光谱分析中，用于分光的光谱仪器和检测光的光探测器对分析结构有决定性作用。

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。

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

图1 光栅光谱仪的内部结构

光栅由步进电机驱动，由计算机软件驱动，可以获得较高的精度。两个球面镜分别将入射光射向光栅并接受由光栅出射的光线，其对角度的控制是由光栅的位置决定的。出射光线最后被光电倍增管接收，转化为相应的信号并有计算机识别。

而光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”)──阳极之间建立

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。

K——光阴极；F——聚焦极；D1～D10——打拿极；A——阳极

图2 光电倍增管的工作原理

3 光辐射和特征谱线的形成：

光辐射分为平衡辐射（又称热辐射）和非平衡辐射（又称发光）两大类。

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。

对于黑体，入射到表面的全部能量被无反射吸收，同时将等量的能量辐射出去。黑体的单色辐出度

为:

M0λ(T)=α(λ,T)Mλ(T)

(3.1)

α(λ,T)称为物体的单色吸收比，是一个小于1

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λm表示。根据维恩（Wien）位移定律：

λm T=b

(3.2)

其中常量b=2.897756⨯10-3m T。温度越低，最大辐射波长就越长。在室温，物体热辐射主要在红外波段。当物体温度达到800K 以上，开始出现暗红

色的可见光。更高的温度可辐射白光。

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M0λ(T)，即单位时间、单位面积辐射的单位波长范

围的电磁波能量满足黑体辐射公式。

实际物体都不是黑体。非黑体辐射单色辐出度

白炽灯及实验室常作为光源使用的卤钨灯就是利用钨丝加热后的热辐射工作的。2450K 黑体辐射与钨丝辐射的能量分布曲线见图3。

(2) 电子吸收一个光子跃迁到激发态，再辐射一个同能量的光子回到初态。在初态和激发态之间可能存在着中间能级。激发态的电子先无发射跃迁到中间态，再辐射光子跃迁到初始态。从现象看，物质吸收了一个高能量的光子，辐射一个低能量的光子。或者说，短波长的光辐射激发物质发出较长波长的光。其原理如图5,图6所示：

图3 2450K 辐射

图5 辐射跃迁

2) 发光

处于激发态上的电子处于非平衡态。它向低能级跃迁时就会发光。设电子跃迁前后能量分别为E1和

E0，发射光子能量为:

hν=

hc

λ

=E1-E0=∆E (3.3)

图6 经中间态的辐射跃迁

电子受光辐射激发到高能态上导致的发光称为光致发光。光致发光时，电子在不同能级间跃迁常见如下几种情况。

（1） 电子受光辐射激发，然后以无辐射情况跃迁到低能级。（无发射跃迁释放的能量转化成热能或其它形式）从现象看，物质净吸收了一个对应波长为

因为原子具有分立的能级，原子光谱是线状的不连续谱。原子在固体和液体中的情况比较复杂。因为固体和液体中原子间距很小，原子间的相互作用较强，导致能量状态变化。固体和液体物质的光谱可能是线状谱，也可能是连续谱。

在本实验中，我们就对钨灯的连续普，氢氘灯和汞灯的分立谱进行了测量。

λ=

hc

的光子。其原理如图4所示： ∆E

4 光谱仪的校准：

为了更加准确的通过光谱仪进行测量，我们必须对光谱仪进行校准.在实验中，我们采用钠光源进行

图4 无辐射跃迁

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校准.我们知道，由于电子的自旋磁矩和轨道磁矩的

相互作用，钠光源有双线结构，分别是589.592nm和588.995nm，这是实验得到的精准值.我们通过光谱仪分析钠光源的光谱图，可以测得对应的双线波长，通过比较就可以对光谱仪测量的坐标轴进行校准.

在实验中我们调整光谱仪的狭缝调整至0.20mm，并调整扫描范围为550nm到600nm，以0.02nm为扫描间隔，获得的那光源光谱图如图7所示（处理时取580nm到598nm）,可以得到，两个极大分别为589.06nm和589.56nm，和标准值相差很小，因此不用进行坐标轴平移。至此，光谱仪校验完毕。

5 测量氢—氘原子的光谱图：

光谱仪调校完毕后，更换光源为氢-氘灯，其他设置不变，将扫描范围调整至350nm到660nm，扫描间隔调整至0.02nm，可以测得氢—氘原子的光谱图如图8所示，由于取点稠密，因此能其高频（小波长）的几个峰不是很显著，但仍然可以辨认出，有五个峰值，其值列入表1，与理论值相对比（也列入表1），可以看到，其误差都控制在0.50nm之内，可以认为测量是准确的。同时，我们也可以观察到，低频（大波长）的谱线相对强度要大，而高频部分则相对较小。

表1 氢-氘灯的光谱线

颜色

理论波长(nm) 测得波长(nm) 相对强度

蓝紫 397.01 396.58 40.3

蓝紫 410.17 409.74 41.3

蓝 434.05 433.88 65.9

绿蓝 486.13 486.06 167

红 656.28 656.52 248.8

6 测量汞灯的光谱图：

氢氘光谱测量完毕后，更换光源为汞灯，其他设置不变，将扫描范围调整至300nm到660nm，扫描间保持0.02nm，可以测得汞原子的光谱图如图9所示，

可以辨认出，有八个峰值，其值列入表2，与理论值相对比，可以看到，其误差都控制在0.50nm之内，可以认为测量是准确的。同时，其相对强度变化趋势没有氢氘灯那么明显，但其相对强度仍然存在变化。

表2 汞灯的光谱线

颜色

理论波长(nm) 测得波长(nm) 相对强度

蓝紫 365.0 364.54 437.1

蓝紫 366.3 365.80 138.9

蓝紫 404.66 404.40 670.3

蓝紫 407.78 407.32 105.7

蓝 435.83 435.66 787.1

绿 546.07 546.08 600.5

黄 576.96 576.98 98.4

黄 579.07 579.20 98.7

7 测量滤色片的透过率曲线：

汞光谱测量完毕后，更换光源为钨灯，并添加透明滤色片，其他设置不变，将扫描范围调整至300nm到660nm，扫描间保持0.02nm，可以测得钨原子的光

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谱图如图10所示，可以看到，钨灯的光谱为连续谱，为单峰型曲线，其极大值出现在525nm附近。测量完成后，加入黄色滤色片，测得其透射率，并也在图10中绘出，可以观察得到，在高频部分透过率由100%逐

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渐衰减，在中频部分，大约衰减到了10%，之后又上升，到低频部分，则逐渐稳定到了80%，而对应的部分，也是黄色部分，也即其对应的颜色黄色。

8 实验总结：

在本实验中，我们采用Na灯校准了光谱仪，并用校准的光谱仪对氢—氘原子，Hg 灯的光谱进行了测量，并测定钨灯照射下黄色滤色片的透过率.绘制氢—氘原子，Hg灯光谱及滤色片的透过率曲线，给出主要谱线波长及相对强度，并与理论值进行比较。学习和掌

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握了光谱仪这种先进的光学仪器。取得了良好的实验效果。

9 参考文献：

[1] 杨胡江、肖井华、尚玉峰、程洪艳 近代物理实验

讲义 [M] P60~64 北京邮电大学理学院物理实验中心

[2] 多功能光栅光谱仪(单色仪)介绍:

http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part3/introduction/MFS.html

[3] WGD-8/8A型多功能光栅光谱使用:

http://dept.wyu.cn/wlsyzx/UploadFiles/[**************].doc