近代物理实验实验报告
实验课题：使用光学多道测量光谱与光谱分析
班级：物理学061
姓名：任军培
学号：06180130
指导老师：方允樟
2008年11月21日
一、摘要：
本实验通过使用光学多道测量光谱了解和学会使用光学多道分析仪，并学会了通过光学多道分析仪分析氢、氮、氦、氖等光谱。
测量了氢光谱的巴尔末系中Hα、Hβ，Hγ，Hδ四种谱线的波长和里德伯常数。
二、关键词：光学多道分析器里德伯常数光谱
三、引言：常用的光谱涉及的波段从X射线，紫外线，可见光，红外线，微波到射频波段。
所以光谱技术是研究物质微观结构的重要手段，它被广泛地应用于医学，生物，化学，地质考古，冶金等许多场所。
光谱实验的数据为了解原子、分子和晶体等精细结构提供了重要依据。
而光学多通道分析器是用平面光栅衍射的方法获得多级衍射光的仪器，用它可对给定波长范围的单色光进行光谱分析，与单缝，双缝衍射相比，平面光栅衍射具有衍射本领大，衍射光线亮，分辨率高等特点。
因而在特征谱线分析中有着广泛的应用。
本实验通过测量各种气体灯光的原子在可见光波段的发射光谱使大家了解光谱与微观结构（能级）间的联系和学习光谱测量的基本方法。
四、正文：
1、实验原理
衍射包括单缝衍射，双缝衍射和光栅衍射。
它们都可用来测量光波的波长，但由于单缝衍射，双缝衍射在各级衍射的分辨率与亮度存在矛盾，而光栅正好解决了两者间的矛盾，所以实验中大多采用平面光栅来做实验。
光栅一般分两类，一类是透射式(见图1)，另一类是反射式(见图2)。
透射式光栅是在一块平面透明的玻璃板上刻上平行，等间距又等宽的直痕，刻痕部分不透光，两刻痕间能透光，相当于狭缝。
相邻刻痕间的距离d称为光栅常数。
反射式光栅是在镀有金属层的表面上刻划斜的平行等间距刻痕，斜面能反射光。
本实验用反射式平面光栅。
图1平面透射光栅图2平面反射光栅
利用现代电子技术和计算机技术接收和处理某一波长范围内光谱信息的光学多通道分析与检测系统的基本框图如图3所示。
图3光学多通道分析与检测系统的基本框图
入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成某一波长范围的谱带。
位于出射窗口处的多通道CCD将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描并经A/D变换后在计算机上显示出来。
光学多通道分析器的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于反射式准光镜M2的焦面上。
光经过反射镜M1反射到M2上，并经过M2反射成平行光束投向平面光栅G，衍射后的光束经物镜M3成像在CCD接收头S2上，或经过转镜M4从出射狭缝射出（观察窗）。
由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为多级衍射光。
所以在观察屏S3处形成以某一波长为中心的一条光谱带，使用者可在观察屏S3处直观地观察到光谱特征。
转动光栅G 可改变中心波长，整条光谱带也随之移动。
转开平面镜M4可使M3直接成像在S2光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏S3上看到的完全一致。
这种光学系统称为C-T型光学系统，见图4所示。
图4 C-T型光学系统图
光源的光谱分布与光的物质特性有关，因此测定光源的光谱分布是研究物质内部微观结构的重要工具之一。
光源能量分布的测量方法常用的有两类：一类是照相法；另一类是光电法。
本实验就是用CCD的拍摄并与计算机连接来测定光源的光谱能量分布。
光学多道分析器可用来测量各种特征灯的谱线，其中以氢灯为例分析氢原子的谱线分布最为典型。
根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：
E（n ）= -μе4/(8ε2h2n2) (n=1，2，3，···)
式中μ=m e /(1+ m e /M)称为约化质量，m e为电子质量，M为原子核质量。
氢原子的M/ m
e
等于电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量hν为两能级间的能量差，即
hν=E（m）-E（n） ( m > n )
如以波数ζ=1/λ表示，则上式为
ζ=[ E（m）-E（n）]/ hc =T（n） -T（m）=R H(1/n2-1/m2)
式中R
称为氢原子的里德伯常数，单位是m-1，T（n）称为光谱项，它与能级E H
（n）对应的，从R
可得氢原子的各能级的能量
H
E（n）=-R
ch/n2
H
式中h=4.13567×10-15ev·s,c=2.99792×108m.s-1
从图5可知，从m≥3至n=2的跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系。
氢原子的莱曼系位于紫外，其它线系均位于红外。
图5氢原子能级图
2、实验内容
（1）多道光谱仪定标
多道光谱仪的波长为
K= aC + b
式中, A为CCD 通道数, C、b 为系统的校正系数, 由计算机软件计算得出。
（2）入射狭缝宽度为0.08mm时Hg灯的定标谱线和对氢氘灯的谱线的测量 Hg(氢氘)灯放在一开有狭缝的圆筒内, 使Hg(氢氘)灯发出的光成一线光源垂直入射到光谱仪狭缝上。
然后调整入射狭缝到光栅的距离和光栅的入射角使1 级衍射光照射光栅的焦平面上即CCD 表面上, CCD 探测器采集的数据输入计算机, 通过计算机软件处理便得到光谱线。
3、实验步骤
1）接通电源前，认真检查接线是否正确。
2）启动装置并从观察窗口观察出射衍射光。
连接光学多通道分析器和控制仪，打开控制仪的电源开关，打开汞灯开关。
然后，开启计算机，进入软件界面，熟悉软件中各项功能。
3）调节一定的入射狭缝大小（约0.1-0.5mm左右）。
狭缝为直狭缝，宽度范围 0～2mm 连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化 0.5mm。
为延长使用寿命，调节时注意最大不超过 2mm，平日不使用时，狭缝最好开到 0.1～0.5mm左右。
技巧：谱线效果不好（如不是出现谱线而是出现谱台）时，调节狭缝（主要），增加一凸透镜使光等都有效果。
4）用鼠标按“新建”后按“实时检索”按钮，电脑屏幕上出现一条曲线。
用鼠标按“手动后退”或“手动前进”寻找谱线，再适当调节入射狭缝大小，使输出谱线最佳显示状态。
5）找到一谱线的最佳位置，即屏幕上出现谱线最多的情况（汞灯的4条谱线，在大约中心波长在450nm左右），对此汞灯谱线进行定标。
根据已知的谱线间隔进行定标，我们已知道汞灯的四条实际谱线576.96nm、579.07nm、546.07nm、435.84nm。
如我们得知576.96nm、579.07nm这两条谱线的间距最短，所以我们用其来定标图上靠的最近的两条谱线。
6）关闭汞灯开关，移走汞灯换上氢氘灯，用鼠标按“实时检索”按钮，出现另一不同颜色的曲线，按“寻峰”按钮找到曲线峰波峰，波峰所在位置的波长值便为氢谱线波长值。
7）同理测量钠光灯谱线波长。
4、注意事项
1.狭缝宽度控制在0到2毫米之间。
2.注意仪器的使用安全。
五、参考文献
1、刘力; 光学多道分析仪OMA-Ⅲ的图形功能分析 [J];光电子.激光; 1991年03期; 5-10
2、何桂荣,黄瑞如,周运辉; 一种普及型OMA的光谱传感与采集系统 [J];光电子.激光; 1992年03期; 32-38。