对光栅衍射法测汞灯光谱的深入探索

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1、对光栅衍射法测汞灯光谱的深入探索               及光谱的发展史和应用           （2007年10月15日）                                     摘要：      本文主要对光栅衍射法测汞灯光谱进行了更深入的探讨与思考，并且介绍了一下光谱的发展史和光谱技术在生产、生活和科研中的应用。关键词：光栅衍射法测汞光谱  光谱发展史 光谱技术应用背景：      光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命

2、、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。所以我们有必要对光谱进行一下研究。而本实验主要采用光栅衍射法研究汞的光谱。虽然单缝衍射也可以形成明暗相间的条纹，并且可以由条纹宽度计算光波波长。但是用单缝衍射进行精确测量是很困难的。如当缝宽a较大，条纹间距就很小，难以分辨；当a很小，光强度太弱，也不利于测量。如果用多条等间距的平行细缝代替较宽的单缝，就构成了光栅。而光栅衍射可以较精密地测量光谱，在物理实验中有重要的意义。所以本实验采用光栅

3、衍射法。实验步骤：             用钠灯测定光栅常数，然后测量汞灯的各条谱线的波长。实验现象及结果：             可以观察到汞灯的三条谱线，紫，黄，绿。             求得光栅常数为3795nm,紫光谱线波长495nm,绿光谱线波长627nm，黄光谱线波长660nm。注意事项：1，分光计和光栅的调节。此步骤主要是为了得到平行光并使其垂直入射，只有这样光栅方程dsinφ=kλ才成立，φ为衍射角。分光计需要调整到以下工作状态：①望远镜调焦到无穷远；②平行光管出射平行光；③平行光管和望远镜的光轴应与分光计中心轴垂直。调节光栅使

4、其达到以下工作状态：1），光栅平面与入射光线垂直2），光栅刻线与分光计主轴平行关于分光计的详细调节步骤一般的大学物理实验教材上都有详细的操作步骤，所以在此就不再去叙述了。2，在调节望远镜与光栅垂直时，观察光栅衍射条纹时一定要消除视差。视差是指望远镜目镜中刻划线的象与谱线的的象不在同一竖直平面内。有无视差可以通过稍稍移动眼睛的位置，看谱线与刻划线的相对位置是否改变来判断。3，   分光计必须按操作规程正确使用。4，  光栅是易损、易碎元件，必须轻拿轻放，不能用手指触摸光栅面，只能拿支架。   思考：1， dsinφ=kλ成立的条件是什么？（1）入射光线必

5、须垂直光栅，即入射角i=0；（2）入射光必须是平行光。2，光栅光谱与棱镜光谱的主要区别：1）光栅光谱是一个均匀排列的光谱，而棱镜光谱则是不均匀排列的光谱。2）光栅适用的波长范围比棱镜宽。3）光栅的色散率和分辩率比棱镜高。      2，对光栅的分辨率的思考。        根据瑞利判据，光栅能分辨出相邻两条谱线的能力是受限制的，波长相差Δl的两条相邻的谱线，若其中一条谱线的最亮处恰好落在另一条谱线的最暗处，则称这两条谱线能被分辨。设这两条谱线的平均波长为，则它们的波长可分别表示为和．可以证明，对于宽度一定的光栅，当分辨本领按定义时，其理论极限值Rm =

6、 kN = L ，而实测值将小于kN，式中N为参加衍射的光栅刻痕总数，L为光栅的宽度。显然，R与光谱级数k以及在入射光束范围内的光栅宽度L有关．应该指出，光栅的分辨本领R是与被分辨光谱的最小波长间隔相联系的，对于任意两条光谱线来说，虽然受R的限制，但也可以用改变光栅总宽度L的办法来确定分开此两条谱线所必须的最小宽度值L0。 3，刻度盘上为什么设置两个游标？刻度盘绕中心轴转动，因工艺的原因，中心轴不可能正好在盘的中心，因此转动测量时会产生一个所谓的偏心差，在盘的一直径两端对称设置两个游标，读数求平均即可消除偏心差。4，测量衍射角为什么要测量衍射光级光线间

7、的夹角?采用这种方法可以消除由于光栅平面不垂直平行光的轴线而使得正负方向衍射角不对称引起的系统误差；通过测量，求衍射角，即测量宽度延展了一倍，将使减小一半。             光谱的发展史光谱学的研究已有一百多年的历史了。当然最早的是对太阳光谱的研究了。1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814～1815年之间，夫琅

8、和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅