棱镜摄谱实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（3）实验名称：用小型棱镜摄谱仪测定光波波长学院：专业班级：学生姓名：学号：实验地点：座位号：实验时间：一、实验目的：１．了解棱镜摄谱仪的构造原理。２．掌握棱镜摄谱仪的调节方法和摄谱技术。３．学会用照相法测定某一光谱线的波长。二、实验仪器：玻璃棱镜摄谱仪，汞灯，氦—氖激光器，氦—氖辉光器，读数显微镜，暗室设备等。三、实验原理：1.棱镜摄谱仪的构造（1）准直管准直管由狭缝S1和透镜L1组成。S1位于L1的物方焦平面上。被分析物质发出的光射入狭缝，经透镜L1后就成为平行光。实际使用中，为了使光源S射出光在S1上具有较大的照度，在光源与狭缝之间放置会聚透镜L，使光束会聚在狭缝上。（2）棱镜部分主要是一个（或几个）棱镜P，利用棱镜的色散作用，将不同波长的平行光分解成不同方向的平行光。（3）光谱接收部分光谱接收部分实际上就是一个照相装置。它包括透镜L2和放置在L2像方焦平面上的照相底板F，透镜L2将棱镜分解开的各种不同波长的单色平行光聚焦在F的不同位置上，如图（1）所示。由于透镜对不同波长光的焦距不同，当不同波长的光经L2聚焦后并不分布在与光轴垂直的同一平面上，所以，必须适当地调整照相底板F的位置，方可清晰的记录各种波长的谱线。图（1）F1(λ1)，F2(λ2)，…分别是波长λ1，λ2，…为的光所成的狭缝的像，叫做光谱线。各条光谱线在底板上按波长依次排列就形成了被摄光源的光谱图。若光源辐射的波长λ1，λ2，…等为分立值，则摄得的光谱线也是分立的，叫做线光谱；若光源辐射的波长为连续值，则摄得的是连续光谱。本实验用的小型玻璃棱镜摄谱仪，可用来拍摄可见光区域的光谱。其结构与图16—1所示的基本相同，但由于采用恒偏棱镜代替三棱镜P，因此，它的照相装置中光学系统的光轴与准直管的光轴垂直如图（2）所示。２．摄谱仪的性能（１）色散色散代表仪器的分光能力，是衡量复色光经仪器色散后各单色光分散的程度。为了得到质量较好的光谱，某一波长的谱线总是以最小偏向角的状态通过棱镜，由于不同波长的谱线有不同的最小偏向角，所以可用角色散表示棱镜色散的特征（相差单位波长的两谱线分开的角距离）。棱镜的角色散D为：D=𝑑𝛿𝑚𝑑𝜆∙2sin𝐴2⁄√1−𝑛2sin2𝐴2⁄∙𝑑𝑛𝑑𝜆实际应用时，常使用线色散D1来表示相差单位波长的两谱线在光谱面上分开的距离𝐷1=𝑑𝑙𝑑𝜆得：𝐷1=𝐷𝑓2′cos𝘀式中，f2是聚光透镜L2的焦距，ε是底片与垂直光轴平面的夹角。显然，仪器的线色散数值越大，不同波长两谱线中心分开的距离越远。（２）分辨本领仪器分辨本领是指在用摄谱仪摄取波长为λ附近的光谱时，刚刚能分辨出两谱线的波长差。用R表示：𝑅=𝜆𝑑𝜆该式中λd为能够分辨的两谱线波长差。显然λd值越小，摄谱仪分辨光谱的能力越高。根据瑞利判据，色散棱镜的理论分辨本领为：𝑅=𝑏𝑑𝑛𝑑𝜆式中，b为棱镜底边的有效宽度。可见，要提高棱镜摄谱仪的光谱分辨本领，必须选用高色散率的材料制作色散棱镜，且底边b要宽。（３）相对孔径为了使照相底片上谱线能有较大的照度，缩短摄谱时间，在不计光通过摄谱仪系统的光能损失时，谱线的照度E主要决定于进光狭缝的亮度B和照相物镜L2。当透光孔径为D，焦距为f2时，相对孔径为D/f2，即：𝐸∝𝐵(𝐷𝑓2′)2因此，要增加谱线的照度，可应用聚光照明系统，提高狭缝的亮度，并选用相对孔径大的照相物镜。本实验将使用小型棱镜摄谱仪，通过拍摄氦氖辉光和氦氖激光的比较光谱，测定氦氖激光的波长。比较光谱就是将已知波长的谱线组和待测波长的谱线组并列记录在同一底片上，只要记录时，保持各谱线组不发生横向移动，便可使辉光放电谱线的已知波长，利用线性内插法，测知激光谱线的波长。3．测量谱线波长假设在图5—14—5中一个较小的波长范围内，摄谱仪棱镜的色散是均匀的，可以认为谱线在底板上的位置与波长有线性关系，即:𝜆2−𝜆1𝑛2−𝑛1=𝜆𝑥−𝜆1𝑛𝑥−𝑛1式中，λ1、λ2、λ3为已知谱线的波长，介于λ1与λ2之间的待测谱线波长为λx，它们在底板上的位置分别为n1、n2和nx。所以，待测谱线的波长为:𝜆𝑥=𝜆𝑧+𝑛𝑥−𝑛1𝑛2−𝑛1(𝜆2−𝜆1)可见，只要在底板上测出谱线的位置n1、n2和nx，就可计算出待测谱线的波长λx。四、实验内容：（１）调节共轴，将光源S置于准直物镜1L的光轴上。调节器时，先将汞灯点亮预热，竖直放置与入射缝等高，沿摄谱仪的底座导轨将汞灯移远，从暗盒中央向摄谱仪内观察，调整光源的位置，使光源的像位于照相物镜2L的中央。此时，汞灯已位于1L的光轴上。（２）在光源与狭缝1S之间加入聚光照明透镜L，调节透镜L的位置，使光源成像在入射缝上。若更换光源，只能调整光源的位置，而透镜L的位置不应变动，以保证光源始终处在准直物镜1L的光轴上。（３）取掉狭缝罩盖，在放置照相底板的位置上放一块毛玻璃，这时可看到汞灯的线光谱。调节照相物镜位置和缝宽，注意观察毛玻璃上是否所有谱线都清晰，若不清晰还需调节暗匣相对于系统轴线的倾角。注意：在一般情况下尽量避免将缝宽调到零，以免损坏刀口！（4）慢慢转动转动螺旋，可调整棱镜的位置，使被观察的光谱段位于适中的位置，记录实验数据。五、实验数据及数据分析处理：λx=λz+nx−n1n2−n1(λ2−λ1)其中：𝜆1=579.96nm、𝜆2=435.83nm序号黄𝑛1/mm绿𝑛x/𝑚𝑚紫𝑛2/mm𝑛x−𝑛1/𝑚𝑚𝑛2−𝑛1/𝑚𝑚𝜆𝑥/𝑛𝑚11.3574.91335.3143.55633.957564.86721.0034.60335.0583.60034.055564.72431.2074.94235.5563.73534.349564.28841.0684.57135.3213.50334.253565.22051.1044.73235.4643.62834.360564.74261.0814.64935.3043.56834.223564.93371.4185.02135.6783.60334.260564.80281.2014.66235.3713.46134.170565.36191.3824.78735.4663.40534.084565.561101.0284.70635.3983.67834.370564.536𝜆𝑥̅̅̅=564.9035nm标准差ΔA=𝜎𝜆=√∑（𝜆̅−𝜆𝑖）2(𝑛−1)⁄=0.1328合成不确定度𝑈𝜆=√Δ𝐴2+Δ𝐵2=0.1176相对不确定度𝑈𝑟𝜆=𝑈𝜆𝜆̅×100%=0.020818%𝜆𝑥=564.9035±0.1176𝑛𝑚六、误差分析：1.使用移动显微镜测量光谱线的位置时，没有聚焦，使十字叉丝与谱线间有视差。2.转动螺旋不得回程，引起误差，如若旋过，需转到一头过再反过转。