第1个回答 2013-08-16
设计实验《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》
（电子04-1 陈昌龙 梁宇乐 王正 邝景文）
总体设计方案思路及说明（用读谱法测量）:
我们知道任何物质的原子和分子都能够辐射和吸收自己的特征光谱，这是由物质中所含元素的成分、多少和结构决定的。因此，分析物质的辐射或吸收光谱，就可以了解物质的组成和各成分的含量，以至原子、分子的结构进行深入的分析研究。由于光谱分析具有较高的灵敏度，特别是对低含量元素的分析准确度较高，分析速度快。所以，它在科学实验和研究中有着重要应用。通过小型棱镜摄谱仪，对光谱进行观察，可供研究。
一、实验目的
1．了解小型棱镜摄谱仪的构造原理。
2．掌握小型棱镜摄谱仪的调节和使用方法。
3．学会用小型棱镜摄谱仪用读谱法测定激光的主谱线波长。
二、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，可由基态迁到能量较高的激发态。由于激发态的不稳定，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的波长（或频率）由对应两能级之间的能量差ΔEi决定。ΔEi = Ei - Eo , Ei 和 Eo 分别表示原子处于对应的激发态和基态的能量。即
ΔEi = hvi = hc/λi 或 λi = hc/ΔEi
式中，i = 1, 2, 3, … ，h为普朗克常数，c为光速。
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光谱，就可对物质的组成和结构进行分析。
2、小型棱镜摄谱仪的结构和使用
图（1）为小型棱镜摄谱仪结构示意图
（1）准直管
准直管由狭缝S1和透镜L1组成。S1位于L1的物方焦平面上。被分析物质发出的光射入狭缝，经透镜L1后就成为平行光。实际使用中，为了使光源S射出光在S1上具有较大的照度，在光源与狭缝之间放置会聚透镜L，使光束会聚在狭缝上。
（2）棱镜部分
主要是一个（或几个）棱镜P，利用棱镜的色散作用，将不同波长的平行光分解成不同方向的平行光。
（3）光谱接收部分
光谱接收部分实际上就是一个照相装置。它包括透镜L2和放置在L2像方焦平面上的照相底板F，透镜L2将棱镜分解开的各种不同波长的单色平行光聚焦在F的不同位置上，如图（2）所示，为小型棱镜摄谱仪光路示意图。由于透镜对不同波长光的焦距不同，当不同波长的光经L2聚焦后并不分布在与光轴垂直的同一平面上，所以，必须适当地调整照相底板F的位置，方可清晰的记录各种波长的谱线。
3、用线形插入法求待测波长
这是一种近似的测量波长的方法。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（约几个nm内），可以认为色散是均匀的，即谱线在底片上的位置和波长有线形关系，如波长为 的待测谱线位于已知波长 和 谱线之间，如图所示，它们在底片上的位置可用读数显微镜测出(摄谱法)，如用d和x分别表示谱线 和 的间距及 和 的间距，那么待测谱线波长为：
4、读谱装置
包括测微目镜，使目镜水平方向左右移动的手轮、丝杠、滑块、导轨和支架，还包括读出目镜位置值用的标尺和100分度及手轮刻度、手轮转一圈平移1mm，没分度0.01mm,要求估读到0.1分度。测微目镜内的叉丝用以对准被测谱线中心。
三、实验仪器
1.小型棱镜摄谱仪、2.汞灯、3.激光器、4.读数显微镜、5.聚光镜
四、实验内容与步骤
1.调节汞灯光源和聚光镜，使光源发出的光束聚集到入射狭缝上；
2．将看谱管装置装好，将鼓轮调节到（中心波长435.8nm）43.58上；
3．调节入射狭缝宽度（0.1mm左右），通过看谱线管观察汞灯的435.8nm（蓝）谱线，是否和看谱管视场内中心指针对齐。如果435.8nm（蓝）谱线与看谱管视场中心指针不对齐，就要调整。一般实验前已经调好不用再调节，如果误差太大。再进行调节；
4．如右图所示放置激光器，因激光束细窄而明亮，需使用短焦距的扩束透镜增大激光束的发散性，使激光束经平面镜 反射后沿 的光轴射入狭缝；
5.调节激光、汞灯光源，使光源发出的光束聚集到入射狭缝上；
6.用看谱管浏览激光光谱，找出已知谱线和待测谱线，在光谱中所在的位置；
7.将鼓轮调至43.58刻度上，换上读谱装置准备测量；
8.调节测微目镜左右移动的手轮，找出已知谱线和待测谱线，在光谱中所处的位置；
9.用测微目镜位置主标尺和100分度手轮刻度副标尺，测量出已知谱线和待测谱线之间的距离d、x，并记录。具体测量时，一般是先测出三条谱线（ 、 、 ）各自所对应的位置，让后计算出d、x，参见表格；
注：测微目镜位置主标尺和100分度手轮刻度副标尺，使用时注意一手轮转一圈测微目镜位置主尺平移1mm，手轮刻度每分度0.01mm。测微目镜内的叉丝用以对准被测谱线中心。
注意事项
1． 狭缝是一精密装置，它决定谱线质量，应谨慎调节使用。
2． 在读谱实验中，记录实验条件时，必须把待测光源、谱线的颜色和位置一一记录。狭缝宽度、波长轮刻度、读谱仪型号等也应记录下，以便对实验结果进行分析总结。
3． 使用移动显微镜测量光谱线的位置时，要注意聚焦，使十字叉丝与谱线间无视差；防止回程误差。