光譜儀實驗原理

光譜儀測量原理  

光譜儀是指利用折射或衍射產生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量中最常用的儀器，基本結構如圖1所示。它由入射狹縫S1、準直球面反射鏡M1、光柵G、聚焦球面反射鏡M2，物鏡M3以及輸出狹縫S2構成。

圖1 M1反射鏡、M2準光鏡、M3物鏡、G平面衍射光柵

S1入射狹縫、S2光電倍增管接收、S3 CCD接收

 衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件。它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面（可以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質膜，就構成一塊反射試驗射光柵。相鄰刻線的間距  d  稱為光柵常數，通常刻線密度為每毫米數百至數十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。入射光經光柵衍射后，相鄰刻線產生的光程差    ，    為入射角，    為衍射角，則可導出光柵方程：  

光柵方程將某波長的衍射角和入射角通過光柵常數d聯系起來，為入射光波長，m為衍射級次，取等整數。式中的“”號選取規則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側時取正號，在法線兩側時取負號。如果入射光為正入射，光柵方程變為。衍射角度隨波長的變化關系，稱為光柵的角色散特性，當入射角給定時，可以由光柵方程導出

， 

復色入射光進入狹縫S1后，經M2變成復色平行光照射到光柵G上，經光柵色散后，形成不同波長的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2將照射到它上面的某一波長的光聚焦在出射狹縫S2上，再由S2后面的電光探測器記錄該波長的光強度。光柵G安裝在一個轉臺上，當光柵旋轉時，就將不同波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上，光電探測器記錄不同光柵旋轉角度（不同的角度代表不同的波長）時的輸出光信號強度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進行記錄，稱為光柵單色儀。

在使用單色儀時，對波長進行掃描是通過旋轉光柵來實現的。通過光柵方程可以給出出射波長和光柵角度之間的關系（如圖2所示）

，

其中，為光柵的旋轉角度，為入射角和衍射角之和的一半，對給定的單色儀來說為一常數。

光譜儀是指利用折射或衍射產生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量中最常用的儀器，基本結構如圖1所示。它由入射狹縫S1、準直球面反射鏡M1、光柵G、聚焦球面反射鏡M2以及輸出狹縫S2構成。

(二)實驗原理

1. 氫與氘原子光譜

巴爾末總結出的可見光區氫光譜線的規律為

(1.6.1) 

式中λ_H為氫光譜線的波長，n取3、4、5等整數．

若改用波數表示譜線，由 

 (1.6.2) 

則式(1.6.1)變為

(1.6.3) 

式中109678 cm^-1叫氫的里德伯常量．

由玻爾理論或量子力學得出的類氫離子的光譜規律為

(1.6.4) 

上式的

(1.6.5) 

是元素A的理論里德伯常量，z是元素A的核電荷數,n₁，n₂為整數，m和e是電子的質量和電荷，ε₀是真空介電常數，c是真空中的光速，h是普朗克常量，M_A是核的質量．顯然，R_A隨A不同略有不同，當M_A→∞時，便得到里德伯常量

(1.6.6) 

所以，

(1.6.7) 

應用到Ｈ和Ｄ有

 (1.6.8) 

(1.6.9) 

可見Ｒ_D和Ｒ_H是有差別的，其結果就是Ｄ的譜線相對于Ｈ的譜線會有微小位移，叫同位素位移．，是能夠直接精確測量的量，測出，，也就可以計算出R_H，R_D和里德伯常數R∞，同時還可計算出D，H的原子核質量比

(1.6.10) 

式中m/M_H = 1 / 1836.1527是已知值．注意，是指真空中的波長．同一光波，在不同介質中波長是不同的，唯有頻率及對應光子的能量才是不變的．我們的測量往往是在空氣中進行的，所以應將空氣中的波長轉換成真空中的波長．空氣的折射率隨波長的變化如表1.6.1所列．但在實際測量當中，受所用的實驗儀器的精度限制，這種變化可以忽略不計。

表1.6.1  空氣折射率隨波長的變化（15℃，760mmHg，干燥）

氫的特征譜:

紫外部分： 賴曼系：

可見光部分：巴爾末系：

紅外部分：帕邢系：

布喇開系：