实验10 用光栅测量光的波长
实验目的
１．熟悉分光计的调节及使用方法。
２．通过观察汞绿光经过光栅及单缝的衍射现象，进一步加深对光衍射理论的理解。 ３．掌握用光栅测量光波长的方法。
实验原理
1．光栅测量波长
平面光栅是一种根据光的波动理论制成的色散元件,由大量等宽等间距,相互平行的狭缝(刻痕)所组成。经常用于光谱分析仪器中。它不仅适用于分析可见光成分,还能用于红外和紫外光波。在结构上有平面光栅和凹面光栅之分,同时光栅分为透射式和反射式两类。 常用的平面透射式刻痕光栅是用光学玻璃片刻制而成的,实验教学用的光栅一般是复制光栅或用两束激光干涉照相记录制成的全息光栅。当光照射在光栅面上时,刻痕处由于散射不易透光。只有在两刻痕中间的光滑部分,光才能通过,相当于一条狭缝。因此光栅实际上是一排密集均匀而又平行的狭缝。
根据夫琅和费衍射原理,当波长为λ的单色平行光垂直照射在光栅平面上时,在每一狭缝处都将产生衍射,如图,但由于各缝发出的衍射光都是相干光,彼此之间又产生干涉。如果在光栅后面放置一透镜,光经过透镜会聚在屏幕上,就会形成一系列被相当宽的暗区隔开的,亮度大,宽度窄的明条纹。
沿着与入射线成?角传播的各条波束,其相邻光束中的光程差为
δ=(ａ+ｂ)ｓｉｎ?=ｄｓｉｎ?
式中ａ为缝宽,ｂ为刻痕宽度,ｄ=ａ+ｂ称为光栅常数。
根据波的叠加原理,在满足ｄｓｉｎ? =ｋλ(ｋ=±1,±2…)时,光将加强,形成亮纹。其它方向的衍射光或者完全抵消,或者强度很弱,几乎减为暗被景。式中ｋ是光谱的级数,? 是ｋ级谱线的衍射角。
从dｓｉｎ?=ｋ? 式中看出,若已知光栅常数并测出某级明条纹的相应的?角,则如入射光的波长便可以由此得出。
若一条包括各种波长的白光,对于不同波长的光,其衍射角?也相同。中央明纹各色重叠,呈白光,其两侧对称分布着ｋ=1,ｋ=2,…各级光谱。按波长增
加的次序由里向外展开形成彩色光谱,从而把复色光分解成单色光。
2．左右游标读数方法和偏心差的消除
如右图所示，计算公式是??
1[(?2'??1')?(?2\??1\ 2〔实验仪器〕
分光计、光栅、汞灯等。
（二）实验仪器调节与使用
1．分光计的调节
为了精确测量待测角度,必须将分光计调好,以达到三个要求:(1)平行光管出射平行光。(2)望远镜能接受平行光。(3)经过待测光学元件的光线构成的平面应与仪器的中心转轴垂直,即要求平行光管,望远镜光轴垂直于转轴;待测元件的光学面应平行于转轴。
为了保证这些条件,必须对分光计进行下述调节,其中尤以望远镜的调节最为重要,其它调节均以望远镜调节为主，具体调节步骤如下:
①．粗调:用眼睛观察并调节载物台下方的三个调平螺丝,使载物台水平,调节望远镜、平行光管的调平螺丝的高度,使载物台平面,望远镜，平行光管大致垂直于仪器的主轴。
②．细调:
ａ.接通电源(6.3V),点亮小灯,将望远镜里的分划板照亮,并旋转目镜调焦手轮10,使分划板刻线成象清晰。
ｂ.将双面反射镜放在载物台上,缓慢转动载物台,从望远镜外侧面观察,看到反射平面有一亮十字,然后从望远镜正面观察,缓慢地转动载物台,则亮十字随之移动,继续转动载物台,当反射平面正对望远镜时,在望远镜中可看到一亮光斑,这就是被平面镜反射回来的绿色亮十字丝像。
ｃ.松开目镜紧锁螺钉,前后移动套筒,使亮十字丝像清晰并消除视差,此时,望远镜已能接收平行光并成象于分划板上,旋紧螺钉,此后目镜筒不要再伸缩移动。
③．调节望远镜光轴垂直于载物台转轴,使望远镜轴线回转平面与刻度盘平面平行。 ａ.转动载物台,分别使反射镜的两反射面反射回来的亮十字丝象均进入望远镜。 ｂ.反射镜的其中一反射面正对望远镜筒,此时观察,亮十字丝象可能与分划板上方的十字线不重合,调节载物台调平螺钉b1或b2,使高度差减少一半。再调节望远镜水平,调节螺钉,即亮十字丝象与分划板十字叉丝重合。这种调节方法称为\各半调节法\。
ｃ.转动载物台,使平面反射镜转过180°此时反射镜另一反射面正对望远镜筒,同样用\各半调节法\进行调节,使亮十字象到达准确位置。
ｄ.重复上述步骤,反复调节,直至从两个反射面反射回来的像与分划板上方十字线重合为止。此时望远镜光轴已垂直于载物台光轴,且其回转平面平行于刻度盘平面。 2．调节平行光管
①．调节平行光管使之产生平行光。
将聚焦于无穷远的望远镜作为标准,点燃钠光灯,将狭缝照亮,并使望远镜与平行光管基本在一直线上。前后移动平行光管的套管,使狭缝位于物镜焦平面上,从望远镜中能看到清晰的狭缝的象(调节螺钉,使狭缝像宽约为1毫米左右)。并且狭缝的象和分划板刻线间无视差,这时平行光管发出的光即为平行光。
②．松开狭缝装置锁紧螺钉,并将狭缝装置旋转与望远镜分划板的水平刻线平行,调节螺钉,使狭缝与目镜视场中的水平刻线重合。
然后再将狭缝转过90°,使狭缝与目镜中分划板的垂直刻线重合。此时,平行光管的光轴与望远镜的光轴同轴,且都与仪器的主轴垂直。 3．分光计读数方法
分光计读数圆盘分为360,每一小格为30',游标盘上等分30小格,而游标30小格的弧长与刻度盘29小格的弧长相等,即本实验室中的分光计角游标的精度为1'。 4．用光栅测波长 （1）放置光栅
放置光栅要求：（A）入射光垂直射到光栅表面。（B）平行光管的狭缝与光栅刻痕平行。 （2）从望远镜中观察衍射光谱的分布情况,注意中央明纹两侧的衍射光谱是否在同一水平面内。
（3）用光栅测量钠光灯各级明纹的衍射角。 （4）用读数显微镜测量光栅常数。 （5）计算钠黄光波长。
将测得的光栅常数d及各级明纹的衍射角分别代入公式(1),计算相应的波长,并与钠黄光波长的标准值(λ=5893A)比较。
5．用单缝测定钠光灯各级暗条纹的衍射角。
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注意事项
1．分光计是精密仪器,各部分的调节螺钉比较多,在不清楚这些螺钉的作用和用法以前,请不要乱拧,以免损坏分光计。
2．光栅片是精密光学元件,严禁用手触摸刻痕,以免损坏。
3．测量衍射角时,(1)最好将望远镜固定,用微调旋更方便一些。(2)从左至右(或从右至左)依次测量+3、+2、+1级和-1、-2、-3级的条纹位置，分别记录左、右游标的读数。
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