光栅光谱仪与光谱分析讲稿.pdf

光栅光谱仪与光谱分析 一、 实验目的 1、进一步掌握光栅的原理 2 、了解光电倍增管和线阵 CCD 及其在光谱测量中的应用 3 、学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本方法 4 、通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴尔末公式的正确性，从而对玻尔理论的实验基 础有具体的了解。力求准确测定氢的里德伯常数，对近代测量达到的精度有一初步了解。 二、实验原理 光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段， 现有关于原子结构的知识， 大部分来源于 各种原子光谱的研究。 通过光谱研究， 可以得到所研究物质中含有元素的组分和原子内部的 能级结构及相互作用等方面的信息。 在光谱分析中， 用于分光的光谱仪器和检测光的光探测 器对分析结构有着决定性作用 1 ） 光栅光谱仪分光原理与参数 光栅是光栅光谱仪的核心，其分光原理如下： 1． 平面反射光栅的构造与光栅方程 目前最广泛应用的是平面反射光栅， 它是在玻璃基板上镀上铝层， 用特殊刀具刻划出许 多平行而且间距相等的槽面而成， 如图 1 所示。 大量生产的平面反射光栅每毫米的刻槽数目 为 600 条、 1200 条、 1800 条和 2400 条。铝在近红外区和可见光区的反射系数都较大，而且 几乎是常数，在紫外区的反射系数比金和银都大，加上它比较软，易于刻划，所以通常都用 铝来刻制反射光栅。 我们将看到， 在铝层上只要刻划出适当的槽形， 就能把光的能量集中到 某一极， 克服透射光栅光谱线强度微弱的缺点。 铝制反射光栅几乎在红外、 可见光和紫外区 都能用。 用一块刻制好的光栅 （称原制光栅或母光栅） 可以复制出多块光栅。 由于这些优点， 反射光栅在分光仪器中得到越来越多的应用。 在图 1 中，衍射槽面（宽度为 a）与光栅 i i 平面的夹角为 θ，称为光栅的闪耀角。当平行光 a 束入射到光栅上，由于槽面的衍射及各个槽面衍 射光的叠加，不同方向的衍射光束强度不同。考 θ d i i i i 虑槽面之间的干涉，当满足光栅方程 图 1 光栅刻槽断面示意图 d (sin i sin ) m （1） 时，光强度将出现极大。式中 i 及 分别是入射光及衍射光与光栅平面法线的夹角（入射角 和衍射角） 。d 为光栅常数， m= ±1，± 2 ，± 3 ，…，为干涉级， 是出现极大值的波长。 当入射线与衍射线在法线同侧时，公式取正号，异侧取负号。 由式（ 1）可知，当入射角 i 一定时，不同的波长对应不同的衍射角，因而经光栅衍射 后按不同方向排列成光谱，成像于谱面中心的谱线波长称为中心波长。本仪器采用的光路， 对中心波长 0 而言，入射角与衍射角相等， i = （图 2 ），这种布置方式称为 littrow 型， 因此对中心波长 0 有 2 d sin i m 0 （2 ） 从图中可看到，谱面上成像于中心波长 0 两侧的谱线，衍射角为 i ，正负号分别 与右侧及左侧对应，因此相应有