单色仪的调整和使用

    实验简介

单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。

    实验原理

图1  光栅单色仪的结构和原理

仪器原理如图1 ，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。

本仪器光学系统为李特洛式光学系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高。更换光栅方便。光栅单色仪的核心部件是闪耀光栅，闪耀光栅是以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成的光栅（注1：由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是由该光栅复制的光栅），它可以将单缝衍射因子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大集中了光的大部分能量，这样做可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比

图2

当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为j（见图2）时，光栅的闪耀角为q _b，取一级衍射项时，对于入射角为j，而衍射角为q时，光栅方程式为：

d(sinj＋sinq)= l

因此当光栅位于某一个角度时（j、q一定），波长l与d成正比。本次实验所用光栅（2号光栅，每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm—1000nm, 刻划尺寸为64´64mm2）。当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm。 由此可以求出此光栅的闪耀角为21.58°。当光栅在步进电机的带动下旋转时可以让不同波长以现对最强的光强进入出射狭缝，从而测出该光波的波长和强度值。（注意计算时角度的符号规定和几何光学方向为闪耀波长的方向）

 

   实验内容

首先了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法。然后测量低压钠灯的光谱，钠原子光谱一般可观察到四个线系：主线系、第一辅线系（又称漫线系）、第二辅线系（又称锐线系）和柏格曼线系（又称基线系）。由同一谱线的波数差即可得到钠的里德伯常数。(该单色仪可测得谱线的精细结构，对精细结构处理后即可得到谱线波数)。

 在仪器调整较好的情况下我们可测得主线系的589.0nm和589.6nm，锐线系的616.0nm和615.4nm以及漫线系的两对谱线568.3nm和568.86nm，497.78nm和498.2nm。由原子物理的知识可以计算求出钠的里德伯常数

   实验难点和重点：

光源的位置和光路调整。狭缝的宽度确定和调整。

   思考题

1．如何求出入射狭缝的最佳宽度？

2．单色仪的理论分辨本领如何计算？怎样测量单色仪的实际分辨本领？

3．比较单色仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两者差别大的原因。