實驗九 用透射光柵測定光波波長課件.ppt

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1、實驗九用透射光柵測定光波波長目的1．進一步熟練掌握分光計的調(diào)節(jié)和使用方法；2．觀察光線通過光柵后的衍射現(xiàn)象；3．測定衍射光柵的光柵常量、光波波長和光柵角色散儀器和用具分光計、透射光柵、汞燈等原理光柵是根據(jù)多縫衍射原理制成的一種分光元件，在結(jié)構(gòu)上有平面光柵、階梯光柵和凹面光柵等幾種，同時又分為用于透射光衍射的透射光柵和用于反射光衍射的反射光柵兩類．本實驗選用的是透射式平面光柵．透射式平面光柵是在光學(xué)玻璃上刻劃大量相互平行、寬度和間隔相等的刻痕制成的．一般地，光柵上每毫米刻劃幾百至幾千條刻痕．當(dāng)光照射在光柵上時，刻痕處由于散射不易透光，而未經(jīng)刻劃的部分就成了透光

2、的狹縫．由于光刻光柵制造困難，價格昂貴，常用的是復(fù)制光柵和全息光柵．本實驗中使用的是全息光柵．若以單色平行光垂直照射在光柵面上(圖9—1)，則光束經(jīng)光柵各縫衍射后將在透鏡的焦平面上疊加，形成一系列被相當(dāng)寬的暗區(qū)隔開的、間距不同的明條紋(稱光譜線)．根據(jù)夫瑯禾費衍射理論，衍射光譜中明條紋所對應(yīng)的衍射角應(yīng)滿足下列條件：(k=0，1，2，3，…)(9—1)式中稱為光柵常量(a為狹縫寬度，b為刻痕寬度，參見圖9—2)，k為光譜線的級數(shù)，為k級明條紋的衍射角，是入射光波長．該式稱為光柵方程．如果入射光為復(fù)色光，則由式(9—1)可以看出，光的波長不同，其衍射角也各不相同

3、，于是復(fù)色光被分解，在中央k=0，=0處，各色光仍重疊在一起，組成中央明條紋，稱為零級譜線．在零級譜線的兩側(cè)對稱分布著k=1，2，3，…級譜線，且同一級譜線按不同波長，依次從短波向長波散開，即衍射角逐漸增大，形成光柵光譜．由光柵方程可看出，若已知光柵常量d，測出k級衍射明條紋的衍射角，即可求出光波波長．反之，若已知，亦可求出光柵常量d．將光柵方程式(9—1)對微分，可得光柵的角色散為(9—2)角色散是光柵、棱鏡等分光元件的重要參數(shù)，它表示單位波長間隔內(nèi)兩單色譜線之間的角距離，由式(9—2)可知，光柵常量d愈小，角色散愈大；此外，光譜的級次愈高，角色散也愈大．

4、而且光柵衍射時，如果衍射角不大，則近于不變，光譜的角色散幾乎與波長無關(guān)，即光譜隨波長的分布比較均勻，這和棱鏡的不均勻色散有明顯的不同．分辨本領(lǐng)是光柵的又一重要參數(shù)，它表征光柵分辨光譜線的能力．設(shè)波長為和的不同光波，經(jīng)光柵衍射形成的兩條譜線剛剛能被分開，則光柵分辨本領(lǐng)R為(9-3)根據(jù)瑞利判據(jù)，當(dāng)一條譜線強度的極大值和另一條譜線強度的第一極小值重合時，則可認(rèn)為該兩條譜線剛能被分辨．由此可以推出：(9—4)其中K光譜級數(shù)，N光柵刻線的總數(shù)．實驗內(nèi)容1．分光計及光柵的調(diào)節(jié)(1)按實驗中所述的要求調(diào)節(jié)好分光計，即望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)；準(zhǔn)直管發(fā)出平行光；望遠(yuǎn)鏡和準(zhǔn)直管共

5、軸且與分光計轉(zhuǎn)軸正交。(2)調(diào)節(jié)光柵平面與分光計轉(zhuǎn)軸平行，且光柵面垂直于準(zhǔn)直管．調(diào)節(jié)的方法是：先把望遠(yuǎn)鏡叉絲對準(zhǔn)狹縫，再將平面光柵按圖9—3置于載物臺上，調(diào)節(jié)螺絲a或b，并將光柵面旋轉(zhuǎn)180。直到望遠(yuǎn)鏡中從光柵面反射回來的十字像與目鏡中的調(diào)整叉絲重合，至此光柵平面與分光計轉(zhuǎn)軸平行，且垂直于準(zhǔn)直管，固定載物臺．(3)調(diào)節(jié)光柵刻痕與轉(zhuǎn)軸平行．調(diào)節(jié)的方法是：轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，觀察光柵光譜線，調(diào)節(jié)載物臺螺絲c，使從望遠(yuǎn)鏡中看到的叉絲交點始終處在各譜線的同一高度．調(diào)好后，再檢查光柵平面是否仍保持與轉(zhuǎn)軸平行，如果有了改變，就要反復(fù)多調(diào)幾次，直到兩個要求都滿足為止．2．測定光柵

6、常量d用望遠(yuǎn)鏡觀察各條譜線，然后測量相應(yīng)于．k=±1級的汞燈光譜中的綠線(=546．1nm)的衍射角，重復(fù)測3次后取平均值，代入式(9—1)求出光柵常量d．3．測定光波波長選擇汞燈光譜中的藍(lán)色及其他顏色的譜線進行測量，測出相應(yīng)于k=±1級譜線的衍射角，重復(fù)測3次．將測出的光柵常數(shù)d代人式(9—1)，就可計算出相應(yīng)的光波波長．算出波長平均值并與標(biāo)稱值進行比較．4．測量光柵的角色散用鈉燈或汞燈為光源，測量其l級和2級光譜中雙黃線的衍射角，雙黃線的波長差為△，鈉光譜為0.597nm，汞光譜為2.06nm，結(jié)合測得的衍射角之差為，求角色散．5．考察光柵的分辨本領(lǐng)用鈉

7、燈為光源，觀察它的1級光譜的雙黃線，在此是考察所用光柵當(dāng)雙黃線剛被分辨出時，光柵的刻線數(shù)應(yīng)限制在多少條．轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡看到鈉光譜的雙黃線，在準(zhǔn)直管和光柵之間放置一寬度可調(diào)的單縫，使單縫的方向和準(zhǔn)直管狹縫一致，由大到小改變單縫的寬度，直至雙黃線剛剛被分辨開，反復(fù)試幾次，取下單縫，用移測顯微鏡測出縫寬b，則在單縫掩蓋下，光柵的露出部分的刻線數(shù)N為由此求出光柵露出部分的分辨本領(lǐng)，并和由式(9—3)求出的理論值相比較．6．注意事項(1)放置或移動光柵時，不要用手接觸光柵表面，以免損壞鍍膜．(2)從光柵平面反射回來的綠十字像亮度較微弱，應(yīng)細(xì)心觀察．