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光谱仪和光谱的观察与LED发光光谱测量
光谱仪和光谱的观察与LED 发光光谱测量
【实验目的】
1. 掌握光栅光谱仪的工作原理和使用方法,学习识谱和谱线测量等基本技术。
2. 通过光谱测量了解一些常用光源的光谱特性。
3. 通过所测得的氢(氘)原子光谱在可见和近紫外区的波长验证巴尔末公式并
准确测出氢(氘)的里德堡常数。
4. 利用光纤光谱仪,测量不同的LED 光源在不同的驱动电流下的发光光谱,分
析光强,中心波长,带宽与电流的关系。
【实验原理】
1. 典型光源光谱发光原理
(1)热辐射光源
这一类光源特点是物体在发射辐射的过程中不改变内能,只要通过加热来维
持它的温度,辐射就可继续不断地进行下去,这类光源包括我们常用的白炽灯、
卤素灯、钨带灯和直流碳弧灯等一些常用光源。它们的光谱是覆盖了很大波长范
围的连续光谱,谱线的中心频率和形状与物体的温度有关,而与物质特性无关,
温度越高,辐射的频率也越高。
(2)发光二极管
通过n 型半导体的电子和p 型半导体在结间的偶合发出光子,发光频率与电
E E
子跃迁能级有关。如果,跃迁的上能级为 、下能级为 ,则发出光子的频率
2 1
v 满足
hv E E
2 1
其中h 6.6261034 Js 为普朗克常数,发光二极管跃迁的上下能级都是范围较宽
的能带结构,因此,其谱线宽度一般也较宽。分子和晶体也有这种带状的能级结
构,谱线也有一定的宽度。
(3)光谱灯
光谱灯工作物质一般为气体或金属蒸汽,
通过激发的形式,使低能态的原子激发到较
高的能级(图1),处于高能级的原子是不稳
定的,会以自发辐射的形式回到低能级,辐
射的光子也满足
hv E E
2 1
图1 原子自发辐射发射光子
E E
2 和 分别是原子自发辐射跃迁的上下能级,v 为辐射的光子频率。原子的能
1
1
级是分立的,可以从不同高能级不同低能级跃迁,因此,原子谱线也是分立的,
谱线宽度一般也较窄。
2. 谱线半值线宽
谱线的半值线宽(半线宽)是光谱研究中一个很重要的参量,通过半线宽的
测量我们可以知道谱线的频率分布的范围的大小,可以求得光源的相干长度等一
些与光源特性有关的参量。如果一个光谱的分布函数f () ,在波长 0 达到极
大 (图2),在其左右两边各存在波长值 、 ,有 ,
f ( ) f () f( ) (f )/2
0 1 2 1 2 0
则对应波长 峰值半线宽定义为 。峰值半线宽与相干长度 关系
| | L
0 1 2
2
为L 0 。
图2 谱线半值线宽
3. 氢原子光谱
氢光谱实验在量子理论的发展过程中有着非常重要的地位,1913 年玻尔原
子的量子轨道理论,指出了原有经典理论不能用于解释原子内部结构,提出了微
观体系特有的量子规律,揭开了量子论发展的序幕。
氢原子光谱的实验规律:
早在原子理论建立以前,人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据,发现
氢原子光谱可以用一个普遍的公式表示,波数
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