單色儀是一種分光儀器，它通過色散元件的分光作用，把一束復色光分解成它的“單色”組成。單色儀依采用色散元件的不同，可分為棱鏡單色儀和光柵單色儀兩大類。單色儀運用的光譜區很廣，從紫外、可見、近紅外一直到遠紅外。對于不同的光譜區域，一般需換用不同的棱鏡或光柵。

 

    實驗目的

 

    1.了解棱鏡單色儀的構造原理和使用方法。2.對單色儀在可見光區進行定標。

 

    儀器用具

 

    反射式棱鏡單色儀、白熾燈、電源變壓器、汞燈、鈉燈、濾光片。

 

    實驗原理

 

    WDF型反射式棱鏡單色儀光學系統如圖5.7-1，從光源發出的光束均勻地照亮入射狹縫1S，1S位于反射準光鏡1M的焦面上，通過1S入射的光束經過1M反射后成為平行光束投向平面反射鏡M，再被反射而進入色散棱鏡P，如果入射光為復色光，則通過棱鏡后即按波長分解為不同折射角的單色平行光束，反射物鏡2M將這些單色平行光束匯聚于焦面上構成光譜，位于該焦面上的出射狹縫2S縫寬較小，把譜線限制在一定狹窄的區間內，使只對色散棱鏡構成最小偏向角的光束能夠射出。

 

    色散棱鏡P與平面反射鏡M的組合，稱為瓦茲渥斯色散系統(Wadsworth)。

 

    所示，棱鏡P和平面反射鏡M安裝在同一轉臺上一齊轉動，轉動的軸就是棱鏡頂角等分面與底邊的交線(通過O，垂直于圖面)。一般地，M上的入射光和經棱鏡折射后的單色平行光之間的夾角為定值，且有關系式

 

    在瓦茲渥斯色散裝置中，由于M的反射面與棱鏡頂角等分線相垂直，即0

 

    90，所以0，因此滿足最小偏向角的光線通過這種色散裝置之后仍平行于原來的入射線，相互之間僅發生一定的平移。這樣轉動轉臺，當角增大時波長短的單色光可以射出;當角減小時波長長的單色光可以射出。棱鏡轉動的位置有鼓輪刻度標志，因每一鼓輪刻度都和一定的單色光的波長相對應，因而只要有了單色儀的定標曲線——鼓輪刻度與光譜波長之間的對應曲線(又稱色散曲線)就可以從鼓輪讀數確定出射光的波長。

 

    WDF型反射式棱鏡單色儀狹縫的工作范圍為03mm，讀數鼓輪上的刻度每格0.01mm，旋轉讀數鼓輪推動杠桿臂，就可以使色散系統相對于投影系統旋轉，而在出射狹縫的后方得到不同波長的單色光束的掃描。

 

    單色儀定標曲線的標定是借助于已知線光譜源進行，為了獲得較多的點，必須要有一組光源，通常采用汞燈、氫燈、鈉燈、氖燈以及用銅、鐵、鋅做電極的弧光光源等。

 

    本實驗選用高壓汞燈作為已知線光譜的光源，在可見光區域(400.0760.0nm)進行定標。在可見光波段，高壓汞燈主要譜線的波長和相對光強如表5.7-1。

 

    實驗內容及操作步驟

 

    1.觀察入射狹縫和出射狹縫的結構，了解縫寬的調節和讀數方法，以及狹縫使用注意事項。由于兩個縫的寬度直接影響出射光的強度和單色性，因此實驗過程中應根據需要選擇適當的縫寬。

 

    2.在入射狹縫前放置汞燈，點亮汞燈照射入射狹縫。為了充分利用進入單色儀的光能，光源應放置在入射準直系統(1S、1M)的光軸上。

 

    調整的方法：(1)將入射狹縫和出射狹縫開大，將光源移至1S前半米以外的位置，從出射狹縫處朝單色儀內觀察，可看見光源清晰的像，調節光源的位置，使光源的像正好位于2M的中央。(2)使入射狹縫縫寬減小到50m，在入射狹縫與光源之間加入會聚透鏡，適當選擇透鏡的焦距和口徑，以使光源既成像于1S上，又能夠使其相對孔徑與儀器的相對孔徑(1:7)相同。這樣，既可使出射譜線獲得最大的亮度，又減少了儀器內部的雜散光。

 

    調節會聚透鏡的位置，并用一塊毛玻璃置于出射狹縫處，使毛玻璃上呈現的譜線最清晰明亮。

 

    3.將低倍顯微鏡置于出射狹縫處，對出射狹縫2S的刀口調焦，使顯微鏡視場中觀察到的譜線最清晰。為使譜線盡量細銳并有足夠的亮度，應使入射縫1S盡可能小，出射縫2S可適當大些，根據可見光區汞燈主要譜線波長、顏色、相對強度和譜線間距辨認譜線。

 

    4.使顯微鏡的十字叉絲先對準出射狹縫的中心位置，緩慢地轉動鼓輪，直到譜線中心依次對準叉絲時，分別記錄鼓輪讀數(L)和與其對應的譜線波長()，重復測量三次，取其平均值。

 

    5.以譜線波長為橫坐標，鼓輪讀數L為縱坐標畫曲線，即得單色儀的定標曲線。

 

    表5.7-1汞燈主要光譜線波長表

 

    單色儀實驗注意事項

 

    狹縫是單色儀的精密元件，要特別小心使用，旋轉測微螺旋調整縫寬時，動作要慢，切勿使狹縫的二刀口相碰，即不允許使測微螺旋讀數為小于零。