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对光栅衍射法测汞灯光谱的深入探索
               及光谱的发展史和应用
            （2007年10月15日）                                     
摘要：
       本文主要对光栅衍射法测汞灯光谱进行了更深入的探讨与思考，并且介绍了一下光谱的发展史和光谱技术在生产、生活和科研中的应用。
关键词：
光栅衍射法测汞光谱   光谱发展史  光谱技术应用
背景：
       光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。
所以我们有必要对光谱进行一下研究。而本实验主要采用光栅衍射法研究汞的光谱。虽然单缝衍射也可以形成明暗相间的条纹，并且可以由条纹宽度计算光波波长。但是用单缝衍射进行精确测量是很困难的。如当缝宽a较大，条纹间距就很小，难以分辨；当a很小，光强度太弱，也不利于测量。如果用多条等间距的平行细缝代替较宽的单缝，就构成了光栅。而光栅衍射可以较精密地测量光谱，在物理实验中有重要的意义。所以本实验采用光栅衍射法。
实验步骤：
              用钠灯测定光栅常数，然后测量汞灯的各条谱线的波长。
实验现象及结果：
              可以观察到汞灯的三条谱线，紫，黄，绿。
              求得光栅常数为3795nm,紫光谱线波长495nm,绿光谱线波长627nm，黄光谱线波长660nm。
注意事项：
1， 分光计和光栅的调节。
此步骤主要是为了得到平行光并使其垂直入射，只有这样光栅方程dsinφ=kλ才成立，φ为衍射角。
分光计需要调整到以下工作状态：
① 望远镜调焦到无穷远；
② 平行光管出射平行光；
③ 平行光管和望远镜的光轴应与分光计中心轴垂直。
调节光栅使其达到以下工作状态：
1），光栅平面与入射光线垂直
2），光栅刻线与分光计主轴平行
关于分光计的详细调节步骤一般的大学物理实验教材上都有详细的操作步骤，所以在此就不再去叙述了。
2， 在调节望远镜与光栅垂直时，观察光栅衍射条纹时一定要消除视差。
视差是指望远镜目镜中刻划线的象与谱线的的象不在同一竖直平面内。有无视差可以通过稍稍移动眼睛的位置，看谱线与刻划线的相对位置是否改变来判断。
3，    分光计必须按操作规程正确使用。
4，   光栅是易损、易碎元件，必须轻拿轻放，不能用手指触摸光栅面，只能拿支架。

思考：
1，  dsinφ=kλ成立的条件是什么？
（1）入射光线必须垂直光栅，即入射角i=0；
（2）入射光必须是平行光。
2， 光栅光谱与棱镜光谱的主要区别：
1）光栅光谱是一个均匀排列的光谱，而棱镜光谱则是不均匀排列的光谱。
2）光栅适用的波长范围比棱镜宽。
3）光栅的色散率和分辩率比棱镜高。
       2，对光栅的分辨率的思考。        
根据瑞利判据，光栅能分辨出相邻两条谱线的能力是受限制的，波长相差Δl的两条相邻的谱线，若其中一条谱线的最亮处恰好落在另一条谱线的最暗处，则称这两条谱线能被分辨。设这两条谱线的平均波长为 ，则它们的波长可分别表示为 和 ．可以证明，对于宽度一定的光栅，当分辨本领按 定义时，其理论极限值Rm = kN = L ，而实测值将小于kN，式中N为参加衍射的光栅刻痕总数，L为光栅的宽度。显然，R与光谱级数k以及在入射光束范围内的光栅宽度L有关．应该指出，光栅的分辨本领R是与被分辨光谱的最小波长间隔相联系的，对于任意两条光谱线来说，虽然受R的限制，但也可以用改变光栅总宽度L的办法来确定分开此两条谱线所必须的最小宽度值L0。

3，刻度盘上为什么设置两个游标？
刻度盘绕中心轴转动，因工艺的原因，中心轴不可能正好在盘的中心，因此转动测量时会产生一个所谓的偏心差，在盘的一直径两端对称设置两个游标，读数求平均即可消除偏心差。
4，测量衍射角为什么要测量衍射光 级光线间的夹角?
采用这种方法可以消除由于光栅平面不垂直平行光的轴线而使得正负方向衍射角不对称引起的系统误差；通过测量 ，求衍射角 ，即测量宽度延展了一倍，将使 减小一半。

光谱的发展史
光谱学的研究已有一百多年的历史了。当然最早的是对太阳光谱的研究了。
1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。
其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814～1815年之间夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。
1827年，英国天文学家小赫谢尔考察了几种物质的明线光谱后，指出每种化学元素只要它变成炽热的气体，它就能够产生自己独特的线状光谱。他还说，利用这些光谱线可以检验确定某种元素是否存在。这是最早出现的光谱分析思想。
实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素（钠、镁、铜、锌、钡、镍）。
1896年，塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线，发现这些谱线都是偏振的。现在把这种现象称为塞曼效应。
随着各种原子光谱线的公式的提出，人们对光谱本质的认识越来越深入，直到现在光谱学已经基本成为一个比较完善的分支了。然而在人们在对光谱的研究中曾遇到了很多困难和迷惑，也发生了很多有趣的事情。非常有启发意义的一件事情就是沃拉斯顿的发现太阳光谱中的暗线。
沃拉斯顿是一个医生，在用三棱镜观察太阳光谱的时候，发现了一个被牛顿忽略的事实：在从紫到红的太阳的连续光谱中出现了7条清晰的暗线，它们不规则地间隔分开着。他很兴奋，立即拿了棱镜去问一位好朋友，物理学家索默维尔报告自己的新发现，同时还想听听他的建议。一进门他就迫不及待地说：“这几天我认真观察了太阳的光谱，”“难道你发现太阳的脸色不正常了吗？”索默维尔一语双关地回答。“你猜对了。我的确发现太阳光谱中的7条黑线。”说着他取出随身携带的玻璃棱镜向索默维尔演示这个事实。可是索默维尔根本没仔细去看，因为他不相信一个才玩了几天棱镜的医生就会有什么新发现。他立即用物理术语提出了一连串质疑，把沃拉斯顿弄得很尴尬，最后沃拉斯顿只得自己收场说，也许是玻璃上有缺陷，所以在光谱中留下了黑线。就这样，索默维尔的自以为是，把一个送上门来的重大发现给断送了。
可见，一些重大的发现往往源于对生活的细心观察，很多时候它并不需要什么太高深的理论知识。所以我们每个人都有责任去探索这个世界的奥秘。

光谱的应用
根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学，从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析方法，也有着不同的应用。比如高光谱遥感技术，激光光谱技术，红外光谱技术，紫外光谱技术，喇曼光谱技术，瞬态光谱技术，光声光谱技术等。
高光谱遥感技术是一个新兴的技术，在农业、生态与环境、矿产资源调查等领域都有着广泛应用，如地面光谱测试、高光谱遥感图像预处理以及分类识别的基本技术等，而且还可以分析植物、土壤的光谱特征，在环境监测和矿床探测领域也有很多应用。
         激光光谱技术，具有高分辨率、高灵敏度、长距离、短时间，可以实现对微量污染物的自动快速、无接触监测的特点。因而可以精确的检测元素的含量。其主要分析方法有激光诱导荧光法、长程光吸收法和衰荡光谱法等。
红外光谱技术在科学研究也有着举足轻重的作用，其中最重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。通过与标准谱图比较，可以确定化合物的结构；对于未知样品，通过官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。近年来红外光谱的定量分析应用也有不少报道,尤其是近红外、远红外区的研究报告在增加。如近红外区用于含有与C，N，O等原子相连基团化合物的定量；远红外区用于无机化合物研究等。傅立叶变换红外光谱还可作为色谱检测器。
紫外光谱由于灵敏度高、选择性强,而且样本用量小、分析迅速简便,所以也同红外光谱类似广泛用于有机化学研究的各个领域。如有机化合物的共轭发色基团的鉴定、成分分析、平衡常数测定、相对分子质量测定、互变异构体测定、氢键强度等。
喇曼光谱技术。当光通过物质时，除了光的透射和光的吸收外，还观测到光的散射。在散射光中除了包括原来的入射光的频率外(瑞利散射和廷德耳散射)，还包括一些新的频率。这种产生新频率的散射称为喇曼散射，其光谱称为喇曼光谱。喇曼光谱技术是一种非侵入、非弹性散射技术,能够在分子层次上探测物质的临床医学特征和结构特征.因而喇曼光谱技术在生物医学中有着重要的应用。
瞬态光谱技术也称为飞秒光谱技术。瞬态光谱技术在研究瞬态分子速度，浓度调制和磁旋转光谱技术的选择特性等方面有重要作用。而且在对传统内燃机评价参数进行精确地测量方面也有着独特作用。
光声光谱技术是光谱技术与量热技术结合的产物，是20世纪70年代初发展起来的检测物质和研究物质性能的新方法。用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声光谱。这就是光声光谱成像技术的原理。光声光谱技术在物理、化学、生物学、医学、地质学和材料科学等方面得到广泛应用。
参考文献：
《大学物理实验》高等教育出版社  成正维主编