中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）实验1-2 介质吸收谱

光学测量技术实验第1章 实验1-2介质的吸收光谱分析 根据研究光谱方法的不同，光谱学常分为发射光谱学、吸收光谱学和散射光谱学。不 同种类的光谱从不同方面提供了物质的微观结构信息，其中发射光谱(emission spectrum)提供发光物质的微观结构信息，吸收光谱(absorption spectrum)提供吸收物质 的微观结构信息，散射光谱(scattered spectrum)则提供光与物质相互作用方面的微观结 构信息。本实验研究的是吸收光谱。介质对光的吸收分为选择吸收和一般吸收。一种介 质对某些波长的光会产生选择吸收，这些波长的光正好与介质的发射光谱相对应，与介质 中原子、分子的能级结构有关；对其他波长范围的入射光则呈现一般吸收，这不但与介质 的材料有关，而且与入射光的波长有关。研究介质对光的吸收规律不仅可以获得关于介 质的信息，如成分、浓度、厚度等，还可以获得关于光源的信息。一切物质都具有一般吸收 和选择吸收两种特性。 本实验通过测量透明介质透射光的光谱，研究介质对光的一般吸收，总结一般吸收满 足的规律，分析一般吸收与介质的种类以及厚度的关系等。 【实验目的】 (1)学习测量介质吸收光谱的实验方法与 技术。 (2)掌握测量介质一般吸收特性的原理和 方法。 (3)测量介质的吸收曲线，并分析介质的一 般吸收特性。 【预习要求】 (1)介质吸收满足的规律是什么？ (2)如何测量介质的吸收曲线？对光源有何 要求？ (3)从介质的吸收曲线上能得到介质哪些方 面的性质？ 【实验原理】 当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板 时，有一部分光被反射，另有一部分光被介质吸 收，剩下的光从介质透射出来。如图1-2-1所示， 图1-21光的吸收 当一束波长为入、入射光强为I。的单色平行光垂直入射到一块厚度为d的透明介质平板 上时，从入射界面反射的光强为IR,从入射界面向介质透射的光强为I1,在出射界面处的 入射光强为Iz,从出射界面射出的透射光的光强为Ir。依据比尔-朗伯定律(Beer 7

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物理实验教程—近代物理实险 0 L,ambert law),I:与I1的关系为： =Le (1-2-1) 式中，称为介质的吸收系数(aren n c oef价c),它是衡量光被介质吸收程度的物 理量。吸收系数不仅与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。吸收系数。与波长入 的关系曲线称为吸收曲线。 以上提到的1：，1：，1黑和1灯是指光在入射界面和出射界面上，以及在介质中多次反 射和透射的总效果。若介质表面的反射系数为R,则透过样品的光强为， +I+ 1,a-Re+1,4-RRew中1,1-Re4e子 I。(1-R)2e- (1-2-2) 1一R2e 式中，1n,1卫，I,.分别表示从出射界面第一次透射、第二次透射、第三次透射.的 光的光强，故有： (1-2-3 介质的光谱透射率(spectral directional transmittance)T定义为： T-k (1-2-4) 根据式(1-2-1)，对于透明介质，光反射较小，因而有： T-片≈ (1-2-5) 由式(1-2-3)和式(1-2-5)可见，通过测量光谱透射率T就可得到介质的吸收系数a 通常用两块材料相同但厚度不同的介质来测量吸收系数。设有材料相同但厚度不 同的两块介质，厚度分别为d:和d2,且d:>d1,光谱透射奉分别为T,和T:,光强为I。的 人射光通过两块介质后的透射光强分别为1山，和1山，·则有： (1-2-6) T2-u-1-R)e (1-2-7) 2-二 (1-2-8) 对透明介质，R和。都很小，故式(1-2-8)可近似为： T (1-29 则有 a=In T:-In Ta (1-2-10 本实验利用光栅光谱仪测量不同厚度错钕玻璃的光谱透射率来获得错钕玻璃的吸收 系数 -8-

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光学测量技术实验第1章 【实验器材】 实验器材包括WGD-8A型组合式光橱光谱仪、汞灯及汞灯电源、溴钨灯及溴钨灯电 源、厚度不同的错钕玻璃片 本验所用的WGD-8A利组合式光摄光普仪由光摄单仪接收单元扫描系由 子放大器、A/D采集单元、计算机等组成，如图1-2-2所示。该设备集光学、精密机械，电 子学及计算机技术于一体，可实现对光源的光谱能量分布及介质的光谱透射奉的自动 测量。 光电倍增 单色仪 光图 电源 图1-22WGD-8A型组合式光光谱仪示意图 1.光栅单色仅 光橱单色仪由三部分组成：入射狭缝S,平面反射镜和准直球面反射镜M,构成入射 准直系统，以产生平行光束：反射光栅G(2400条/ 构成色散系统，以产生各种波长 的单色光：聚 球面反射镜M、平面反射镜M、出射.及、构 光系统 光栅 分出的单色光会聚在出射狭缝S,上，或者移开平面反射镜M,使光束会聚在出射狭缝S: 上，平面反射镜M,的移动由拉杆控制，其安装在出射狭缝S,下方。 光橱G由扫描系统控制的电机带动旋转，从而使不同波长的单色光相继投射到聚焦 平面反射墙M,及出射狭缝S,或S,上。出射狭缝S外接CCD探测器，出射狭缝S.外接光 电倍增管，它们获得的光谱信号经控制箱传送给计算机，由计算机处理和显示。 2.光电倍增骨 光电倍增管是一种高灵敏度真空光电器件，可用作弱光探测器，具有把弱光增强的作 用，其输出电流：与入射到光电倍增管上的光强成正比。这样，入射到光橱光谱仪的光强 大小就可转换为光电倍增管的光电流大小来测量。 如图1-2-3所示，在光电倍增管的真空玻璃泡中，光电阴极K(接受光子，产生光电子) 和阳极A之间安装着 系列的倍增极D,D, 倍增极表面涂有锑酸绝、氧化镁或 氧化被薄膜，当一个光电子打上去后，一般会发射出几倍数的光电子，这种效应称为二次 发射效应。因此，经过倍增极D,D,D,后，最终将产生大量的光电子，由阳极收集 形成并输出信号。倍增极一般有8~13个，倍增系数可达103~10°。 9

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物理实验教程—近代物理共险 D G 图1-2~3光电倍增管工作原理图 【实验内容】 1.基础性实验内容 (1)校准光棚光谱仪的波长示值 以汞灯作为光源，校对光栅光谱仪的波长示值。校正时，首先调好人射狭缝S和出 射狭缝5：的宽度( 一2mm),然后打开灯，打开光橱光谐仪控制箱电源，调整 电倍增 管工作电压在500V左右，启动WGD-8A型组合式光栅光谱仪的控制软件（光电倍增 部分)，待准备状态结束后，测量汞灯的能量谱。如果能量谱高度超出显示范围，可适当改 变入射狭缝S,和出射狭缝S:的宽度，以及光电倍增管的工作电压，使能量谱显示高度适 中。对比汞的4条谱线波长的测量值与标准值(435.8nm,546.1nm,577.0nm,579.0 m),若出现偏差，将修正值输入计算机中， (2)观测溴钨灯的光谱特征和错钕玻璃的吸收光谱 用溴钨灯换下汞灯，测量澳钨灯的能量谱。再将一片较薄的错钕玻璃垂直放入样品 室内，保持原有狭缝宽度不变，测量此时的介质透射能量谱，观察和测量错钕玻璃的典型 吸收峰(300一660m),记录相应的波长和能量，并分析溴钨灯的光谱特征和放置错钕玻 璃后对光的吸收特性。 (3)测量错妆玻璃的吸收曲线」 和2 mm厚的错做玻璃片，在被长50 -66 不稳定的影响，可对每片错钕玻璃的能量谱进行多次测量。 (4)测量吸光度曲线和特定波长的吸收系数。 用提供的三片错钕玻璃组成四组不同厚度的实验样品，选择某个特定波长的吸收峰， 测绘吸光度A与介质厚度d的关系曲线，并用最小二乘法求取对应于该波长的介质吸收 系数a(a 吸光度(absorbance)定义为： A-g名 (1-2-11) 式中，1。为所选吸收峰处的入射光强：，为通过不同厚度错钕玻璃片时的透射光强。对于 错做玻璃，A-2.303ad. 10

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光学测量技术实验第1章 2设计性实验内客 根据现有实险条件，设计实验方案探索分析乙醇汽油溶液的浓度与吸光度的关系 实验要求为：阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和基本实验步骤，进行实 际实验测量，选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)光栅光谱仪属于贵重精密仪器，超出说明书使用操作时需在教师指导下进行。 (2)狭缝宽度的调节必须小心，且狭缝的宽度不得超过3mm,也不得完全闭合，以免 损坏刀口。实验完毕后，应将狭缝宽度调节到0.2mm左右。 (3)在测量吸收曲线或吸光度-介质厚度关系曲线时，要保证仪器各参数（如狭缝 度，光电倍增管 作电压等)不变 (4)光电倍增管受强光照射时会引发“雪崩效应”，测量时入射光不能太强。 【思考与讨论】 (1)光栅光谱仪波长示值的校准为什么要用汞灯？吸收曲线的测量为什么要用澳 钨灯 (2)试讨论狭缝宽度对测量的影响。 (3)吸收光谱和发射光谱的关系是什么？ (4)如何测量吸光度 【参考文献】 [1]邓勃，李玉珍，刘明钟.实用原子光谱分析，北京：化学工业出版社，2013. [2]杨春晟，李国华.徐秋心.原子光谱分析.北*：化学工业出瓶社，2010. [3]王乘超.大学物理实验（下册），北京：高等数有出版社，2003. 11

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