下载文档原格式
实验题目：单色仪的定标和光谱测量实验目的：了解光栅单色仪的原理，结构和使用方法，通过测量钨灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。
实验原理：一.光栅单色仪的结构和原理如下图所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。
单色仪的光源有：火焰、电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。
如下图所视，当入射光与光栅面的法线N的方向的夹角为©（见图）时，光栅的闪耀角为a取一级衍射项时，对于入射角为©而衍射角为e时，光栅方程式为：d(sin H sin 0)=入式中N 为光栅的总线数，在本实验中 N 为64 *200=76800, m 为所用的光的衍射级次，本实验中m 二雹实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响， 加上光源的谱线由于各种效应而发生增 宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值， 因此光谱仪的实际分辨本领远远小于 76800。
实验数据及数据处理：（数据以文本文档中为准）■ ■ » 11、 光栅单色仪的定标 ----- 钠灯光谱与标准值之间误差：？？= --------------- =0.00%入Nd cos=d 9 = m d 入 d cos 9R= d x =mNFigure 1钠灯光谱主线系峰值数据： 1、589.0002、589.625实验报告589 .0BY 王有识页3实验报告?? =0.004%-|589 .625-589 .6|Figure 2钠灯光谱锐线系峰值数据： 1 、615.413 2 、616.050 与标准值之间误差：？？=--------------- =0.002%1615 413-615 .4|?? —6154---------- =0.008%1616.050-616 ,0|2 = 616.0Figure 3钠灯光谱漫线系1页4 BY王有识?? = ------------------ =0.006%1497.812-497 .78|?? 49778 =0.01%|498 .250-498 .2| 2=498.22、 低压汞灯光谱测量峰值数据：1、568.250 、568.825与标准值之间误差:??= =0.009%1568 .250-568 .3|与标准值之间误差:??568・3 ------ =0.006% |568 .7-568 .86|22=568 .86Figure 4钠灯光谱漫线系2峰值数据：1、497.812 2 、498.250实验报告Figure 5低压汞灯黄光强峰值数据：1、576.925 2 、579.050与标准值之间误差：??= =0.006%1576 .925-576 .96|?? 576・96------- =0.003%|579 .050-579 ,07|2二579.07Figure 6低压汞灯蓝绿光强峰值数据：1、491.637 与标准值之间误差：？？二 ------------- =0.008%|491 .637-491 .60|峰值数据： 1 、585.925ure 7低压汞灯2黄光589.000与标准值之间误差：??==0.0009%1585 .925-585 .92| ?? —585.92 =0.003%1589 .000 -589 .021本组实验由于测蓝绿光的弱光谱，而实验环境中并不是完全黑暗,难免会有光对实验产生干扰， 所以实验所得的图像很不理想， 但是还 是可以分辨出波峰。
单色仪简介和比较1666年，牛顿在研究三棱镜时发现，太阳光在通过三棱镜后被分解成了七色光。
1814年，夫琅禾费设计了一套包括棱镜、狭缝和视窗的光学系统并观察了太阳光谱中的吸收谱线。
1860年，克希霍夫和本生为研究金属光谱而设计了较完善的现代光谱仪——这标志着光谱学的诞生。
如今光谱分析已经是研究物理光学的主要分析手段，在科研和生产等方面发挥着极大的作用。
在光谱分析中，无论是对荧光光谱，还是穿透吸收光谱，亦或是拉曼光谱的研究，获得单色光都是不可缺少的手段。
其方法有很多，如单色光源、颜色玻璃和干涉滤光片。
除此之外，单色仪也是一种常见的获得单色光的方法。
单色仪一般通过色散、衍射等方法，将紫外、可见和红外的光谱区里的复合光分解成不同波长的单色光。
按照不同的分类标准，单色仪可以分为很多种。
常用的分类是：光栅单色仪和棱镜单色仪两种。
光栅单色仪按光束入射方式可分为正入射、掠入射和投射单色仪；按光学系统分布可分为罗兰圆和非罗兰圆两种；按衍射光栅面型可分为平面、球面和环面单色仪三种。
一、单色仪的分类简介1、棱镜单色仪棱镜单色仪是晶体单色仪的一种，此类单色仪以晶体作为分光元件。
用作同步辐射X射线波段的分光系统，由于晶体单色仪的衍射面是晶格面，所以对真空环境的要求可以比较低（10-1Pa）。
普通的棱镜单色仪通常由三部分组成，准光镜系统、色散系统和成谱系统。
如上图所示。
①准光镜系统：它是由准直光物镜L1和放在L1焦平面上的狭缝S组成；②色散系统，它是由棱镜P等组成；③成谱系统，它是由物镜L2和其焦平面上的像屏组成。
成谱系统形式的不同，仪器的名称就不同。
若采用的是望远镜来观察光谱，则叫做“棱镜分光镜”；若采用物镜和感光板进行摄谱，则叫做“棱镜摄谱仪”；若用狭缝来分离谱线，就叫做“单色仪”。
棱镜单色仪原理是复色光从狭缝进入，准光镜系统能够将其转变成平行光，然后入射棱镜。
色散系统将来自准光系统的平行光均匀而广泛地照射在棱镜P的折射面A上，经过棱镜的折射后，复平行光就分解成沿不同方向传播的单色光。
实验室常用光谱仪及其它们各自的原理光谱仪，又称分光仪。
以光电倍增管等光探测器在不同波长位置，测量谱线强度的装置。
其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。
以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。
分为单色仪和多色仪两种。
下面就介绍几种实验室常用的光谱仪的工作原理，它们分别是：荧光直读光谱仪、红外光谱仪、直读光谱仪、成像光谱仪。
荧光直读光谱仪的原理：当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时,驱逐一个内层电子而出现一个空穴,使整个原子体系处于不稳定的激发态,激发态原子寿命约为(10)-12-(10)-14s,然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态.这个过程称为发射过程.发射过程既可以是非辐射跃迁,也可以是辐射跃迁.当较外层的电子跃迁到空穴时,所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子,此称为俄歇效应,亦称次级光电效应或无辐射效应,所逐出的次级光电子称为俄歇电子.它的能量是特征的,与入射辐射的能量无关.当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收,而是以辐射形式放出,便产生X 射线荧光,其能量等于两能级之间的能量差.因此,X射线荧光的能量或波长是特征性的,与元素有一一对应的关系.K层电子被逐出后,其空穴可以被外层中任一电子所填充,ad4yjmk从而可产生一系列的谱线,称为K系谱线:由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Kα射线,由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kβ射线同样,L层电子被逐出可以产生L系辐射.如果入射的X 射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层,此时就有能量ΔE释放出来,且ΔE=EK-EL,这个能量是以X射线形式释放,产生的就是Kα 射线,同样还可以产生Kβ射线,L系射线等.莫斯莱(H.G.Moseley) 发现,荧光X射线的波长λ与元素的原子序数Z有关,其数学关系如下:λ=K(Z-s)-2 这就是莫斯莱定律,式中K和S是常数,因此,只要测出荧光X射线的波长,就可以知道元素的种类,这就是荧光X射线定性分析的基础.此外,荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系,据此,可以进行元素定量分析.红外光谱仪的原理：红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。
Spectrographys are optical instruments that form images S2(λ) of the entrance slit S1;the images are laterally separated for different wavelengths λof the incident radiation.Ω=F/f12受棱镜的有效面积F=h.a的限制，它代表光的限制孔径．的方式成像到入射狭缝上是有利的，虽然会聚透镜可以缩小光源在入射狭经上所成的像，使更多的来自扩展光源的辐射功率通过入射狭缝：但是发散度增大了．在接收角外的辐射不能被探测到，反而增大了由透镜支架和分光计任何色散型仪器的光谱分辨本领的定义为和λ2间的最小间隔．-λ2)在二个最大间显示出明显的凹陷，则可以认为强度分布是由具有强度轮廓为I1(λ-λ1)和I21(λ-λ2)的二条)依赖于比率I1/I2和二个分量的轮廓，因此最小对于不同的轮廓将是不相同．2的第一最小重合，则认为两条谱线如果强度相等的两条线的两个最大间的凹陷降到I的(8／π2)≈0.8，(a)Diffraction in a spectrometer by the limiting aperture with diameter af1f2:angular dispersion[rad/nm]成像在平面B上)间的距离△x2为=(dx/dλ)△λ:linear dispersion of the instrument,[mm/nm]为了分辨λ和λ+△λ的二条线，上式中的间距△x2至少应为二个狭缝象的宽度(λ)+δx2(λ+△λ),由于宽度x2由下式与入射狭缝宽度相联系：δx2=(f2/f1) δx1所以减小δx1便能增大分辨本领λ/△λ，可惜存在着由衍射造成的理论极限．由于分辨极限十分重要．我们将对这点作更详细的讨论．(b)Limitation of spectral resolution by diffraction=±λ/b间(见图)；仅当2 δΦ小于分光计的接收角a/f1时，它才能完全通过限制孔径a．这给出入射狭缝有效宽度bmin的下限为在一切实际情形中，入射光都是发散的．这就要求发散角和衍射角之和必须小于，而最小狭缝相应地更大。
单色仪的定标及应用单色仪是一种常用的分光仪器，利用色散元件把复色光分解为准单色光，能输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光，可用于各种光谱分析和光谱特性的研究，如测量介质的光谱透射率曲线、光源的光谱能量分布、光电探测器的光谱响应等，应用相当广泛。
【实验目的】1．了解棱镜单色仪的构造、原理和使用方法；2．以汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区进行定标；3．掌握用单色仪测定滤光片中心波长的方法。
4. 学会测量发光二极管的波长。
【实验仪器】小型光栅单色仪，汞灯，卤素灯，显微镜，滤光片，会聚透镜，透镜夹发光二极管【实验原理】单色仪是一种分光仪器，它通过色散元件的分光作用，把复色光分解成它的单色组成。
根据采用色散元件的不同，可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类，其应用的光谱区很广，从紫外、可见、近红外一直到远红外。
对不同的光谱区域，一般需换用不同的棱镜或光栅。
平面光栅单色仪的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦面上。
光经过M1平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到M1，经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上。
由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。
当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。
这种光学系统称为李特洛式光学系统，见图1所示。
图1光学系统图一般光源所辐射的光往往是由各种波长的光组成。
如果各种波长是连续变化的，那么这类光源称为连续光源。
由于光源的光谱分布与光的物质特性有关，因此测定光源的光谱分布是研究物质内部微观结构的重要工具之一。
单色仪的基本特性是其单色性和出射单色光的强度，实验中，一般总是希望出射的单色光的光谱宽度尽量窄（即单色性尽量好）和单色光的强度尽量高。
除了平面光栅的色散率的大小外，单色仪出射光的光谱宽度的宽窄主要由缝宽，衍射和像差等因素决定，其中像差在设计调整时已尽量减小。
在正常情况下，对单色仪来说，主要是解决缝宽和色差问题。
实验3 单色仪单色仪是通常使用的基本光谱仪器。
WDP500---C 型光栅单色仪是用(几块)光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以把紫外、可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光。
如配备电子束激发器，X 射线激光器，光子激发器和高频等离子、辉光放电等稳定光源相配套，可以进行光谱化学分析，如原子吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱、激光光谱的定性及定量分析。
同时还可以进行物理量的测量,如测定接收元件的灵敏特性、滤光片吸收特性及光源的能谱分析、光栅的集光效率等。
介质对光的吸收、透射和反射通常与入射光的波长有关，介质的这种特性称为介质的光谱特性。
测量介质的光谱特性是光学测量及材料研究等方面的重要内容。
一．实验目的和教学要求1. 了解单色仪的构造原理并掌握其使用。
2. 加深对介质光谱特性的了解。
掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
二．实验原理当一束光入射到有一定厚度的介质平板上时，有一部分光被反射，另一部分光被介质吸收，剩下的光从介质板透射出来。
设有一束波长为λ，入射光强为0I 的单色平行光垂直入射到一块厚度为d 的介质平板上，如图1所示。
如果从界面1射回的反射光的光强为R I ，从界面1向介质内透射的光的光强为1I ，入射到界面2的光的光强为2I ，从界面2出射的透射光的光强为T I ，则定义介质板的光谱外透射率T 和介质的光谱透射率i T 分别为0I I T (1) 12I I T i = (2) d图1 一束光入射到平板上这里的R I ,1I ,2I 和T I 都应该是光在界面1和界面2上以及介质中多次反射和透射的总效果。
通常，介质对光的反射，折射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。
这里为简单起见，对以上及以后的各个与波长有关的量都忽略波长标记，但都应将它们理解为光谱量。
光谱透射率i T 与波长λ的关系曲线称为透射曲线。
在介质内部（假定介质内部无散射），光谱透射率i T 与介质厚度d 有如下关系：iT =d e α- (3)式中，α称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。
光谱仪简介光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，。
阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。
通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。
这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。
将复色光分离成光谱的光学仪器。
光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。
按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。
按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。
单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。
图片图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。
狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。
用光源照明狭缝S，S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。
棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。
普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。
目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计，可以具有较宽的光谱范围。
表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。
基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。
单色仪科技名词定义中文名称：单色仪英文名称：monochromator定义：从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
所属学科：机械工程(一级学科) ；光学仪器(二级学科) ；物理光学仪器(三级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布monochromator光谱仪器中产生单色光的部件。
光栅单色仪的定标和光谱测量实验实验目的：（1）：了解光栅单色仪的结构以及工作原理并熟练掌握其使用方法；（2）：掌握调节光路准直的基本方法和技巧，利用钠灯等标准光源对单色仪进行定标；（3）：测量红宝石、稀土化合物的吸收和发射光谱，加深对物质发光光谱特性的了解。
（4）：测量滤波片和溶液的吸收曲线，掌握测量其吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
实验简介单色仪（monochromator）是指从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
按照色散元件的不同可分为两大类：以棱镜为色散元件的棱镜单色仪和以光栅为色散元件的光栅单色仪。
单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜时被分解成七色光的彩色光光谱，牛顿首先将此分解现象称为色散。
1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并研究发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。
棱镜的色散起源于棱镜材料折射率对波长的依赖关系，对多数材料而言，折射率随着波长的缩短而增加（正常色散），及波长越短的光，在介质中传播速度越慢。
1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计完成较完善的现代光谱仪—这标志着现代光谱学的诞生。
由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。
光栅光谱仪是利用衍射作为光学元件用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，光栅光谱仪具有比棱镜单色仪更高的分辨率和色散率。
衍射光栅的可以工作于从数十埃到数百微米的整个光学波段，比色散棱镜的工作波长范围宽。
此外在一定范围内，光栅产生的是均排光谱，比棱镜光谱的线性要好的多。
它也可以从复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中提取单色光，即通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。
因此可以进行复合光源的光谱质量分析。
实验原理光栅光谱仪是利用衍射作为色散元件，因此光栅作为分光器件就成为决定光栅光谱仪的性能的主要因素。
1、衍射光栅：现代衍射光栅的种类非常多，按照工作方式分为反射光栅和透射光栅；按照表面形状可分为平面光栅和球面光栅；按照制造方法可分为刻划光栅、复制光栅和全息光栅；按照刻划形状可分为普通光栅、闪耀光栅和阶梯光栅等。
光谱仪简单说来就是通过光栅等分光器件，将光线按不同波长进行分离，形成按波长划分的光线能量分布。
光谱仪用于纯光学特性分析，只需要测量和输出被测源的相对光谱能量分布。
单色仪和光谱仪其实是一样的，只是根据使用目的不同而有不同的名称。
摄谱仪只是在光谱基础上加上了感光底片，便于实时获得光谱图像，在现在电脑普及的情况下，图像已经不需要实时打印出来，摄谱仪不具有应用前景，但在地质勘探等领域仍有很大市场。
分光光度计是能从含有各种波长的混合光中，将每一种不连续的单色光分离出来，用作采样反射物体或透射物体，并测量其强度的仪器。
由于不同物体分子的结构不同，对不同波长光线的吸收能力也不同，因此，每种物体都具有特定的吸收光谱。
可见，分光光度计实际上是包含光谱仪的系统，是光谱分析的应用，需要测量显示被测源光谱光度参数的绝对值。
另外，分光光度计是对不同波长的光线进行扫描，速度比光谱仪要慢很多。
这几种仪器其实原理基本相同，只是面向不同的使用范围而已。
