内容发布更新时间 : 2024/12/27 17:12:37星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验1 棱镜光谱实验

光谱学研究的是各物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁波辐射按照波长的有序排列，通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、电子组态、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，在化学分析中也提供了重要的定性与定量的分析方法。发射光谱可以分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱、连续光谱。线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。

随着科技的进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，所使用的都是以CCD器件为核心构成的各种光学测量仪器。PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪测量系统采用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过直观的方式得到我们需要的结果。与其他产品相比，PSP05型摄谱仪具有分辨率高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，观察方式多样，物理现象显著，物理内涵丰富，软件功能强大等明显的优点，是传统棱镜摄谱仪的升级换代产品。

【实验目的】

1.了解小型摄谱仪的结构、原理和使用方法。

2.学习摄谱仪的定标方法及物理量的比较测量方法（线形插值法）。

【实验原理】

1．光谱和物质结构的关系

每种物质的原子都有自己的能级结构，原子通常处于基态，当受到外部激励后，可由基态跃迁到能量较高的激发态。由于激发态不稳定，处于高能级的原子很快就返回基态，此时发射出一定能量的光子，光子的波长（或频率）由对应两能级之间的能量差?Ei决定。?Ei?Ei?E0，Ei和E0分别表示原子处于对应的激发态和基态的能量，即：

?Ei?h?i?hc?i （1-1）

得：?i?hc，式中，i = 1，2，3，?，h为普朗克常数，c为光速。 ?Ei每一种元素的原子，经激发后再向低能级跃迁时，可发出包含不同频率（波长）的光，这些光经色散元件即可得到一对应的光谱。此光谱反映了该物质元素的原子结构特征，故称为该元素的特征光谱。通过识别特征光谱，就可对物质的组成和结构进行分析。

2．棱镜摄谱仪的工作原理

复色光经色散系统（棱镜）分光后，按波长的大小依次排列的图案，称为光

谱。

棱镜摄谱仪的构造由准直系统、偏转棱镜、成像系统、光谱接收四部分组成。按所适用波长的不同，摄谱仪可分为紫外、可见、红外三大类，它们所使用的棱镜材料是不同的：对紫外用水晶或萤石；对可见光用玻璃；对红外线用岩盐等材料。

棱镜把平行混合光束分解成不同波长的单色光根据的是折射光的色散原理。各向同性的透明物质的折射率与光的波长有关，其经验公式是：

BCn?A?2?4? （1-2）

??式中A、B、C是与物质性质有关的常数。由上式可知，短波长光的折射率要大些，例如一束平行入射光由?1、?2、?3三色光组成，并且?1??2??3，通过棱镜后分解成三束不同方向的光，具有不同的偏向角?，其相对大小如图1-1所示。

图1-1 棱镜色散波长λ与偏向角?的关系小型摄谱仪常选用阿贝(Abbe)复合棱镜，它是由两个30?角折射棱镜和一个45?角全反射棱镜组成，如图1-2所示。

本实验系统就是利用棱镜的色散特性进行工作的摄谱仪。在摄谱仪中，棱镜的主要作用是用来分光，即利用棱镜对不同波长的光有不同折射率的性质来分析光谱。折射率n与光的波长λ有关。当一束白光或其它非单色光入射棱镜时，由于折射率不同，不同波长（颜色）的光具有不同的偏向角?，从而出射线方向不同。通常棱镜的折射率n是随波长λ的减小而增加的（正常色散），所以可见光中紫光偏折最大，红光偏折最小。一般的棱镜摄谱仪都是利用这种分光作用制成的。

图1-2 阿贝复合棱镜 摄谱仪的光学系统如图1-3所示，自光源S发出的光，通过调节狭缝大小获得一宽度、光强适中的光束，此光束经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜色散，由成像系统成像于接收系统上。

图1-3 摄谱仪系统光路图 恒偏向棱镜准直系统狭缝光源SL1L2成像系统接收系统L3L4λ 2λ 13．用线形内插法求待测波长 这是一种近似测量波长的方法。一般情况下，棱镜是非线性色散元件，但是在一个较小的波长范围内，可以认为色散是均匀的，即认为CCD上接收的谱线的位置和波长有线性关系。如波长为?x的待测谱线位于已知波长图1-4 图4 比较光谱与待测光谱关系图?1和?2谱线之间，如图1-4所示，它们的相对位置可以在CCD采集软件上读出，

如用d和1分别表示谱线?1和?2的间距及?1和?x的间距，那么待测线波长为：

?x??1?x(?2??1) （1-3） d【实验仪器】

下面分别介绍摄谱仪的几个主要元部件。

整套PSP05 CCD微机摄谱仪的实验装置如下图1-5所示：