用多功能光栅光谱仪确定光谱灯的光谱特性.doc

用多功能光栅光谱仪测定光谱灯的光谱特性（汞灯） 物质的发光是存在于自然界最普遍最基本的现象之一,它和物质的微观结构有着必然的联系,所以对它的研究是人们了解和认识微观世界的重要手段和方法。光谱是指辐射源所发出的电磁波强度随波长变化的分布曲线。它反映了特定辐射源的发光特性,其中分立的线状单色光谱称为线状光谱或谱线,小波段范围内连续的光谱称为谱带,而大范围内连续的光谱称为连续光谱。一般说来,固体发射的热辐射是连续光谱,而被激发的原子和分子所发出的辐射是各种分立的光谱。这些分立的光谱标志着原子和分子的结构与特性,成为原子和分子的标识。因此, 光谱不仅可以作为研究原子和分子结构的手段和依据,也可以用来鉴定物质的化学性质和成份。迄今为止,我们所掌握的原子和分子方面的绝大部分知识来自于光谱研究。同时,光谱分析已成为科学技术中应用最广泛的物质成份分析与鉴定技术。通过本实验了解物质发光的光谱特性与物质结构的关系，了解光栅光谱仪和光电倍增管的结构、工作原理及使用，掌握用光栅光谱仪测定光源辐射能谱的方法，了解计算机在实验技术中的应用。 【实验目的】 1.了解物质发光的光谱特性与物质结构的关系。 2.了解光栅光谱仪和光电倍增管的结构、工作原理及使用。 3.掌握用光栅光谱仪确定光谱灯的光谱特性的方法。 4.了解计算机在实验技术中的应用。 【实验仪器】 WGD－8A型组合式多功能光栅光谱仪 白炽灯 GP20Hg低压汞灯,计算机 【实验原理】 汞灯是利用汞蒸气弧光放电而发光的。发光的基本过程分为3步：电子的发射和被阴极和阳极间的电场加速；高速运动的电子与汞蒸气原子碰撞时，电子的动能就转移给汞原子使其激发；当受激原子返回基态时，所吸收的能量以辐射(发光)形式释放出来。电子的不断产生和被电场加速，就使过程不断地进行下去。 1、光源的辐射能谱及其测量 光源在单位时间辐射出的辐射能称为光源的辐射通量，单位为W。光源辐射通量随波长的分布称为光源的辐射能谱，即单位波长对应的的辐射通量，也叫光谱能量分布，用E(l)表示，单位为W/m。它反映了光源的辐射特性。 用光栅光谱仪便可实现对光源辐射能谱的测量。测量时，探测器直接测得的是单色仪输出的不同波长的光对应的光电压U(l)。U(l)满足下式 其中：E(l)为光源的辐射能谱；T(l)为单色仪的相对光谱透射率，它是由于单色仪中光栅等光学元件对不同波长的光的透射率不同以及光学元件造成的色散等引起的；S(l)为探测器的光谱灵敏度，它表示单位辐射通量在探测器上产生的光电压或光电流的大小；K是与光谱仪及其状态相关的比例系数；Dl为出射光谱宽度。由于光栅对不同波长的光色散率不同，相同的出射缝宽所包含的不同波长光的光谱宽度不同，引起出射光谱能量分布与原光源的光谱能量分布也不同。如若DS为出射狭缝宽度，则在l处 这样可得 可以看出，要得到光源的辐射能谱E(l)，就必须知道单色仪的相对光谱透射率T(l)；探测器的光谱灵敏度S(l)；色散率曲线dl/ds～l和比例系数K，但单独测定T(l)、S(l)及dl/ds～l曲线较为麻烦。如果用一已知辐射能谱为Es(l)的光源，在相同的实验条件下测出其光电压Us(l),则有 比较上两式，容易得出 （1） 这种用已知光源的光谱能量分布来确定光谱仪的测量系数KT(l)S(l)Dl的过程叫定标。从上式中不难看出，仪器经过定标后测量便比较容易了。 理想的标准光源是绝对黑体，因为绝对黑体的辐射能谱Eb(l,T)服从普朗克公式 式中，h为普朗克常数（Planck constant）；c为光速；k为玻尔兹曼常数（Boltzmann constant）；T为黑体的绝对温度；l为辐射光波长；S为黑体光源的发光面积。不难看出，对于给定的黑体光源，其辐射能谱Eb(l,T)只取决于温度T。图1 给出了不同温度时绝对黑体的相对辐射能谱。 由于黑体光源不易获得，在要求不高的情况下，常用白炽钨灯作为次级标准光源，因为其相对辐射能谱与绝对黑体非常接近，尤其是在可见光波段符合的很好。用白炽钨灯作为标准光源，在可见光区，且分布温度Td=2444K时公式可简化为 （2） 实验中，通过计算机可直接获得待测光源在光栅光谱仪光电倍增管上输出的光电压U(l)的相对值，使用一分布温度Td已知的普通白炽灯作为标准光源，在相同的条件下测出其光电压Us(l)，再由公式（2）算出其相对辐射能谱Es(l)。将上述各量代入（1）式，即可算出待测光源的相对辐射能谱E(l)。 2、WGD－8A型组合式多功能光栅光谱仪 WGD－8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用的是切尔