棱镜单色仪.pdf

GUANGXI NORMAL UNIVERSITY 实验目的 1．了解棱镜单色仪的分光原理及仪器结构和使用方法 2．学会用汞光谱对单色仪的读数系统进行定标 3. 会做定标曲线 实验仪器 单色仪，测微目镜（或读数显微镜），汞灯，钠灯，短焦距 凸透镜及支架。 GUANGXI NORMAL UNIVERSITY 实验原理 1．单色仪的分光原理 单色仪是用棱镜作为色散元件的光谱仪器，它通常由三 部分组成，如图20－1所示。 （１）准光镜系统 由准直光物镜L1和放在L1焦平面 上的狭缝S组成。这个系统能够将来自光源S的复色 光变成平行光。 GUANGXI NORMAL UNIVERSITY （２）色散系统 由棱镜P将来自于准光镜系统的平行光 均匀而广泛地照射在棱镜P的折射面A上，经棱镜的A 、B两 个折射面的折射，分解成沿不同方向传播的单色光。 （３）成谱系统 由物镜L2和在其焦平面上的像屏（或谱 面）组成。物镜L2将沿不同方向的平行光会聚于焦平面上 ，从而获得一幅彩色光谱线图。其中每一根谱线实质上是狭 缝的一个像。（注意：凸透镜的焦距与入射光的波长有关， 所以光谱像并不是呈现在垂直于透镜主光轴的焦平面上，而 是略有倾斜的平面）。 成谱系统采用的形式不同，光谱仪的名称也各不相同。 成谱系统若用的是望远镜（观察光谱用）则叫做“棱镜分光 计”；若用照相物镜和感光板进行摄谱，叫做“棱镜摄谱仪” ；若在成谱物镜L2的焦平面上放置一条狭缝（用以分离各 条谱线）叫做“单色仪”，因为从该狭缝中射出的是单色光。 GUANGXI NORMAL UNIVERSITY ２．单色仪（WDF型）的设计思路和实际光路图 为了使谱线像差小、成像清晰、集光本领强、体积小等 技术指标更趋完善和使用方便，人们在实际制造单色仪时， 对某些具体结构作了重要改进。 （１）将准光镜系统中的凸透镜L1和成谱物镜L2，改用 两块------凹柱面反射镜M1、M2来代替。因为，薄凸透镜两 面的曲`率半径均为r，其焦距为 r f = 2()n ?1 （20―1） 为透镜材料的折射率，它随着光波的波长同而不同，波长越长， 折射率ｎ就越小，焦距f就越大，反之亦然。所以由三棱镜分解 出来各种不同波长的光波通过凸透镜折射后所成的像不是在此透 镜的单一焦平面上，而是在与主光轴有倾斜的准焦平面上。 r 凹面反射镜的焦距为 f = （20―2） 2 GUANGXI NORMAL UNIVERSITY 式中，ｒ为凹面镜的曲率半径，与入射的波长λ 无关。从 （20―1）和（20―2）式可以看出，用凹面反射镜代替凸透镜， 使狭缝S射进来的复色光变成平行光的平行性最好，且凹面镜对 各种不同波长的平行光聚于焦平面上的像，不会有前后之分。 （２）复色光中以“最小偏向角”经过棱镜色散的单色光才能通 过狭缝S2。 “偏向角”是指某一单色光入射棱镜的方向与射出棱镜 方向之间的夹角。当入射方向为某一特定方向，则“偏向角”有一 最小值，称为“最小偏向角”。最小偏向角及图示在实验三中已讨 论过，请参考。当棱镜P绕其主截面底边的中心轴转动时，复色 光中只有以最小偏向角通过棱镜的单色光才能通过出射狭缝 S2 最小偏向角的改变与棱镜绕中心轴转动的角度一一对应，角度改 变的情况与装在棱镜转轴下的刻度鼓轮相联接（鼓轮借用了螺旋 测微计原理制成）。这便是本实验用鼓轮刻度为各种不同波长定 标的依据。 GUANGXI NORMAL UNIVERSITY （３）单色仪（WDF型）的实际光路图如图20—2所 示。S1为入射狭缝，被放在柱面凹面镜M1的焦平面上， 由S1进入的复色光经M1反射后成为平行光，平行光射到 平面镜M2上改变了方向，以适当的角度，投射到棱镜P 的一个折射面上，其中有一组以最小偏向角δ min (λi )