大学物理设计性试验用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长.doc

评分：

大学物理实验设计性实验

实 验 报 告

实验题目： 用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长

班 级：

姓 名： 学号：

指导教师：

实验26 《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》
实验提要

实验课题及任务
《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》实验课题任务是，用小型棱镜摄谱仪测量激光的波长。
实验提示
在实验室现有的条件下，用小型棱镜摄谱仪来测量激光光谱主谱线的波长，有两种方法。
⑴ 读谱法：参阅以开实验MP-2《光谱的拍摄与测量》，的读谱方法。
⑵ 摄谱法：参阅以开实验MP-2《光谱的拍摄与测量》，的摄谱方法。
学生根据自己所学知识，设计出《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》的整体方案，内容包括：(写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。)然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果。按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。
设计要求与提示
⑴ 采用读谱法测量激光波长，方法和《光谱的拍摄与测量》实验的读谱法基本上是相同的，不同的是如何将已知光源和待测光源的光，同时照射到摄谱仪的狭缝上(这是该实验的关键)，再通过读谱仪进行测量，测量方法和《光谱的拍摄与测量》相同。
⑵ 采用摄谱法测量激光波长，方法和《光谱的拍摄与测量》实验的摄谱法基本相同，但问题的是如何将已知光谱和待测光谱的光强调配好，因为激光的光强比汞灯和钠灯都强得多，拍摄时的曝光时间要掌握准确，否则排出的底片洗出冲洗后效果不好，甚至失败。这样就需要设计好各次曝光时间、显影时间、定影时间，显影、定影药液的选择与配置，测量谱线距离时要用读数显微镜测量等。
⑶ 该实验有多种方法，可以根据上面的提示来设计，也可以根据自己的设想和方法来设计。
⑷ 选择实验仪器，小型棱镜摄谱仪、光源(汞灯、钠灯、激光器)、读数显微镜、聚光镜、光谱干板及冲洗设备。
⑸ 设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。
⑹ 实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。
实验所用公式及物理量符号提示
参阅《大学物理实验补充讲义》，实验MP-2《光谱的拍摄与测量》一文。
评分参考(10分)
⑴ 正确的写出实验原理和计算公式，2分；
⑵ 设计出仪器可行设置，2分；
⑶ 做好实验前的准备，1分；
⑷ 写出实验内容及步骤，2分；；
⑸ 制作实验器材和实验室条件的合理应用，1分；
⑹ 写出完整的实验报告，2分；(其中实验数据处理，1分、实验结果，0.5分，整体结构，0.5分)
学时分配
实验验收， 4学时，在实验室内完成；教师指导(开放实验室)和开题报告1学时；
提交整体设计方案时间
学生自选题后2～3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求电子版，用电子邮件发到指导教师的电子邮箱里。
思考题
⑴ 如何使用哈特曼光阑？
⑵ 狭缝调节在什么范围内较合适？
⑶ 装底片应该在什么条件下安装？
⑷ 如何降低激光的光强？
⑸ 测量光谱底片时要注意什么？

用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长
实验目的：
１．了解棱镜摄谱仪的构造原理。
２．掌握棱镜摄谱仪的调节方法和摄谱技术。
３．学会用照相法测定某一光谱线的波长。
实验仪器：
小型棱镜摄谱仪、光源(汞灯、钠灯、激光器)、读数显微镜
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。
2、小型棱镜摄谱仪的基本光路：
狭缝S1 和准直镜（平行光管）L1 组成准直系统，将待测光先行会聚到狭缝上，以增加光强；棱镜P作为色散元件，把投射到第一折射面的不同波长的平行光，经折射后分成沿不同方向的平行光（因为物质的折射率因波长而变）；照相物镜L2和焦平面F处的记录材料组成光谱的接收系统。由于物镜L2将不同方向的平行光依次会聚在焦平面上。故形成光谱，为使整个光谱都清晰，焦平面F的方位必须细心调节。
鼓轮
测微目镜

3、棱镜摄谱仪的构造
（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）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，每分度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。
4、线性插入法求待测波长
这是一种近似的测量波长的方法。一般情况下，棱镜是非线形色散元件，但是在一个教小的波长范围内（约几个nm内），可以认为色散是均匀的，即谱线在底线上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，如图所示，它们在底片上的位置可用读数显微镜测出，如用和分别表示谱线和的间距及和的间距，那么待测谱线波长为： 　 （a）

如波长为的待测谱线位于已知波长和谱线之外，如图所示，它们在底片上的位置可用读数显微镜测出，如用和分别表示谱线和的间距及和的间距，那么待测谱线波长为：
（b）

实验内容及步骤：
1. 将汞灯光源和聚光镜L置于仪器准直系统的光轴上，使光源发出的光束聚集到入射狭缝出，使光谱接收处能看到明亮的谱线；
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）使谱线最清晰，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)谱线与看谱线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. 把激光器放置于低压汞灯后面，保证激光器、低压汞灯、平行光管在同一条直线上；
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。
实验数据表格：
待测未知谱线原始数据记录及表格

测量
次数
谱线对应位置（mm）

(nm)
d
(mm)
x
(mm)

(nm)

1

2

3

4

5

6

平均
= (nm)

低压汞灯光谱和低压钠灯光谱标准波长表

汞光谱
紫
紫
蓝
蓝绿
绿
黄
黄
红
404.66
407.78
435.84
491.60
546.07
576.96
579.07
623.44
钠光谱
蓝
蓝
蓝绿
蓝绿
黄绿
黄
黄
橙
471.5
472.6

517.5
567.5
588.99
589.59
612.0

实 验 报 告

实验仪器：
小型棱镜摄谱仪、光源(汞灯、钠灯、激光器)、读数显微镜

实验数据表格：
待测未知谱线原始数据记录及表格

测量
次数
谱线对应位置（mm）

(nm)
d
(mm)
x
(mm)

1
18.025
18.734
19.343
-11.44
1.318
0.709
2
18.035
18.736
19.325
-11.44
1.290
0.701
3
18.052
18.748
19.348
-11.44
1.296
0.696
4
18.031
18.747
19.328
-11.44
1.297
0.716
5
18.040
18.743
19.348
-11.44
1.308
0.703
6
18.036
18.739
19.344
-11.44
1.308
0.703
平均
(nm)

数据处理：

用外推法计算待测激光波长：

不确定度的计算：
仪器误差：

由 得：

相对不确定度：

实验结果：
待测激光的波长：
， ，

思考题
（1）狭缝调节在什么范围内较合适？
答：入射狭缝宽度0.1mm左右。入射狭缝的宽度决定了谱线的宽度，0.1mm左右可使谱线细锐可见，又便于测定各谱线的相应位置。
（2）如何降低激光的光强？
答：可以利用光栅降低激光的光强。在激光与狭缝之间放置一透射光栅，则沿着激光入射光线的方向为中央明纹，刚好还是射向狭缝，中央明纹的光强比原来激光的光强较为弱。