摄谱仪的使用及氦原子光谱.doc

棱镜摄谱仪
前言
光谱学是研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。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。

摄谱仪的原理
【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. 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；按所用的波长的不同，摄谱仪可分为紫外、可见、红外三大类，它们所用的棱镜材料也不同；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是根据折射光的色散原理。各向同性的透明物质的折射率与光的波长有关，短波长光的折射率要大些，例如一束平行入射光由、、三色光组成，并且，通过棱镜后分解成三束不同方向的光，具有不同的偏向角d，如图1所示。
图 1 棱镜色散波长λ与偏向角的关系图

图2 阿贝复合棱镜图
小型摄谱仪常用阿贝(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2所示。
本实验系统就是利用了棱镜的色散功能进行工作的摄谱仪。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，这一现象叫做色散。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σ，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。
摄谱仪的光学系统如图3所示，自光源S发出的光，调节狭缝以获得一束宽度、光强适当的光，此光经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜折射色散，由成像系统成像于接收系统上。

图3 摄谱仪系统光路图

3．用线形内插入法求待测波长

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，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，如波长为的待测谱线位于已知波长和谱线之间。
如图4所示，它们的相对位置可以由CCD采集软件上读出，如用d和x分别表示谱线和的间距及和的间距，那么待测线波长为：。

下面分别介绍摄谱仪的几个主要元部件。
（1）可调狭缝
可调狭缝是光谱仪中最精密、最重要的机械部分，它用来限制入射光束，构成光谱的实际光源，直接决定谱线的质量。
狭缝是由一对能对称分合的刀口片组成，其分合动作由手轮控制。手轮是保持狭缝精密的重要部分，因此转动手轮时一定要用力均匀、轻柔，狭缝盖内装有能左右拉动的哈特曼栏板。
（2）准直系统
光源S发出的光，经可调狭缝后，经过透镜L1， L2后成一束平行光入射到恒偏转棱镜上。实验过程中需微调可调狭缝的位置，当狭缝的位置处于L1、 L2组合透镜的焦距上时，从透镜L2出射的光线为平行光。
（3）色散系统
色散系统是一个恒偏转棱镜，它使光线在色散的同时又偏转64.1o。棱镜本身也可绕铅直轴转动。
（4）成像系统
成像系统是平行光线经棱镜色散后的聚焦部分。可以通过调焦手轮作前后移动进行调焦，调焦幅度约为40mm。 成像效果可以旋转反光镜，将光谱线反射至毛玻璃上，利用观察目镜观察。
（5）接收系统
PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪采用的是线阵CCD来接收光谱的光强分布，代替了传统的胶片曝光法，操作方便，提高了实验精度及实验数据处理能力。
【实验操作步骤和使用注意】：整套PSP05CCD微机摄谱仪的实验装置如下图5所示，具体安装调节步骤如下：
狭缝
准直系统
棱镜暗盒
棱镜台旋转调节机构
成像系统
成像调焦机构
CCD光强分布测量仪
反光镜旋转调节手轮
看谱窗
光源（自配）

图5 CCD型棱镜摄谱仪整体装置图
1． 转动棱镜旋转台调节螺钉，将旋转指示指针移动至实验仪器面板的标度指示中心位置；
2． 在不改变任何光学系统的前提下，即不改变狭缝位置、宽度，不旋转棱镜旋转台，不调节成像微调手轮。移去定标光谱灯，将待测光谱灯，移近狭缝，并正对好狭缝刀口，利用CCD采集待测样本曲线，并保存样本曲线（样本曲线见附录）。
3． 对比定标光谱曲线和待测光谱曲线，得出两光谱各谱线之间的相对位置关系，利用线性插值法（注意：相邻谱线间隔不能相差过大，否则会增大实验误差），计算出待测光谱线波长，并与给出的标准谱线波长比较，得出实验误差。
4． 实验结束后，不要将可调狭缝刀口长时间处于紧闭状态。

注意事项：
1． 因光谱线相对于环境光显得有点暗弱，本实验应尽量安排在暗室中进行，这样比较利于光谱的观察和辨别。
2． 如果采集到的光谱线出现大面积“削顶”，则有两种可能：一是CCD器件饱和，说明光信号过强，这时可以将光源稍微离开光源一点距离；二是软件中选项里的增益参数调的过大，应使之减小（一般置增益为1）。
3． 如发现采集的光谱曲线上毛刺较多，检查狭缝刀口是否有尘埃。若有，用蚕丝棉沾取酒精小心擦拭。
4． 在安装调节棱镜时，手指只能接触棱镜的棱边，勿接触光学面，避免污染光学面，从而影响实验效果；在压紧棱镜时，切勿用力过大，谨防压坏棱镜。
5． 可调狭缝是光谱仪中非常重要的机械部件，它用来限制入射光束并构成光谱的实际光源，其直接决定谱线的质量，因此要特别爱护好可调狭缝。不要使刀口处于紧闭的状态，因为刀口比较锐利，相互紧闭容易产生卷边而使刀口受到损伤与破坏。因此操作手轮调整狭缝宽度时要细心，旋转时用力要小而均匀而且慢慢地旋转，千万不要急促地快转，因为狭缝部件上的零件都比较精密，弹簧力量比较小，如果猛然或快速旋转会使之受冲击力而影响狭缝的精度和寿命，这一点必须注意。
6． 在调节狭缝宽度时，最好在开启方向进行，因为狭缝是在弹簧力量作用下关闭的，由于要克服机构中的磨擦，因此狭缝刀片的运动可能滞后，从开启方向开始调节可消除上述误差。
7． 为了保护刀刃免遭机械损坏，以及避免灰尘和脏物的入侵，在使用完毕后，必须马上将狭缝罩上，不要长时间直接暴露在空气中。
8． 在进行数据采集时，应先接DB15串口线，再接USB线，否则容易死机。

氦原子光谱的研究
【实验目的】
1.学习识谱和一种测量谱线波长的方法。
2.对氦原子光谱有初步的认识。
【实验内容与步骤】
测出氦光谱在可见光区（～587）谱线的波长，
测出已知波长为589.6nm 和589nm的钠灯谱线的位置y1拟合出y=(λ)函数，并在同一条件下测出未知波长值的氦谱线的位置YH代入函数y=f(λ)求出其波长值。主要步骤如下：
1、 仪器安装调节步骤参照第4章实验操作步骤；
2、 选择钠灯作为定标光源；
3、 保持光路系统不变，分别测量出氦谱谱线的位置；

钠灯光谱
灯源
谱线波长（nm）
颜色
钠灯（Na）
589.0
黄（D双线）
589.6

采用线阵CCD采集的钠双线，其中CCD的规格为：14×14μm，2160像元，采集图如下：

氦灯光谱

灯源
谱线波长（nm）
颜色

氦灯（He）
706.6
红
667.8
红
587.6
黄
501.6
蓝绿
492.2
蓝绿
471.3
蓝绿
447.1
蓝
408.6
紫（未见）

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