平面光栅单色仪狭缝调零相关问题的讨论-复旦大学物理教学实验中心.ppt

关于平面光栅单色仪狭缝调零的相关问题 吴啸林 0530112 光谱线系的规律与原于结构有内在的联系. 因此,光谱是研究原于结构的一种重要的方法. 氢原子是目前自然界存在的最简单的原子，便于从实验上和理论上对它进行研究. 人们正是通过对氢原子的研究一步步了解了原子的内部结构. 研究氢原子光谱的主要仪器之一是平面光栅单色仪. 准确地进行调零(入射缝和出射缝)是使用平面光栅单色仪的第一步, 也是绘制出分辨率较高的光谱的前提. 下面介绍几种实验中观察到的现象, 并讨论一些狭缝调零的相关问题. 氢氘光谱试验基本原理 从第n2层跃迁到第n1层的光子波数为 上式显示了光谱规律,式中R可用物理常数表示为 u是电子与原子核的约化质量. 对于氢和其同位素氘而言 注: n1=2的—组谱线即巴耳末线系, 一般将从P, O, N层跃迁到L层的三条谱线分别称为氢 的 谱线. 按照操作规范使用前应该进行调零. 这步调零工作在这个实验中显得尤为重要. 如果实验开始时不仔细调零, 在接下来的实验中, 很难调整狭缝到打开一个合适的宽度. 入射缝开得太宽, 入射光源就不能看成点光源, 光谱分辨率就会降低; 反之, 缝窄到与入射光波长可比拟, 会产生明显的衍射现象. 出射缝太宽, 探头就会接收到的就不只是一条尖锐的亮纹, 导致分辨率降低; 反之, 接收到的光子数太少, 不利于制图 (尤其在出射光不是严格对准出射缝中心时). 因此在使用光栅单色仪前必须调零. 右图所示的平面光栅单色仪 球面镜 反光镜 准光镜 平面光栅 准光镜 反光镜 光电倍增管接收器 …… 调到零点才是调零? 图2是在波长410nm左右处的定点扫描谱像, 缝宽从一个较大的值开始逐渐减小到CD段光强为零, D点以后迅速增大缝宽, 至图中峰值再减小. 如果先固定出射缝宽(非零), 再调节入射缝宽度至光强近似为零. 那么在图2中, 就应该认为C点稍前的位置缝宽调到了零点, 但无法解释出现AB, EF两段“平台”的原因. 考虑到我们所用的仪器在以前的实验过程中缝宽多次被调到零点以下, 就可以给出解释. 狭缝因受到挤压而形变, 在真正的零点处仍有少量光子透过, 从而产生“平台”. 当然如果继续挤压, 到一定程度狭缝前后错位, 不再有光子通过. 因此, 合适的零点应该在A和E左边一点的位置. 缝宽增大和减小时的谱线轨迹不完全重合 在零点附近反复旋转调节缝宽的旋钮会注意到缝宽增大和减小到同一数值是光强并不完全相等 这主要是由机械构造导致的, 在别的实验中也遇到过(例如牛顿环实验). 先向某一方向旋转旋钮再向反方向旋转时, 由于机械原因, 缝宽并不会立即向反方向改变. 本底大小变化程度较大 　 实验中实验者也许会注意到本底大小随波长增大而减小, 而且其幅度较大, 400nm左右处的本底大小是490nm处的两倍以上. 其原因主要是由于巴尔莫系中有多条波长在370到400nm之间的谱线, 相对氢待观察的三条谱线而言, 是从更高能级上跃迁到L层上的, 跃迁概率较小, 谱线高度也比较小; 同时他们谱线之间的距离较近, 在分辨率不是很高的时候, 看上去就像是连续的本底. 将入射缝调窄, 出射缝调宽后记录的谱线, 左图中似乎可以看到一个主峰以及右边的一个小峰. 依照前面的分析, 氘的谱线波长比氢小, 似乎样品中氘的含量较高. 但是事实并非如此, 当入射缝较窄时衍射比较明显, 同时出射缝太宽, 导致分辨率极低, H-D谱线相互叠加, 在中间形成一个高于氢峰的峰, 造成误导. (简易计算可知, 光栅衍射出的次级极大不会通过出射缝, 图中左峰并非氘的零级和次级明条纹的叠加) 稍加调整后, 获得右图, 虽说此时谱线分辨率依然不高, 但正常的双重线已清晰可辨 针对仪器状态采用特定的调零方法 综合上述分析, 比较合适的调零方法是先将出射缝固定在一个非零位置, 然后在一定范围内单方向调节入射缝, 观察到类似图1中 A-B-C的变化趋势时, 在小范围内调节旋钮, 使光强在一个大于零的平台上小幅振动(如AB, EF), 此时可认为调到入射缝零点. 以同样方法调剂出射缝. 在开始采集数据后, 把两个狭缝打开0.02-0.04mm, 这样可以做出分辨率比较高的谱线. 四幅谱图中, 上面两幅分别是496.13nm处调零合适(右)与否(左)时的谱线.下面两幅分别是410.18nm处调零合适(右)与否(左)时的谱线. (为了看得更清楚左边两幅图作过光滑处理) 很明显,