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一、实验目的二、实验设备或用品三、实验原理四、光盘光谱仪的制作五、实验数据六、光谱仪的应用1、分析光盘的结构，探究其与光栅的关系。 2、探究反射光栅的光谱特性，加深对光谱形成规律和原理的理解。 3、制作光谱仪，增强动手能力，理论联系实际。 4、将光盘光谱仪应用于实验，观察各种光谱。 无损CD、水银灯（产生线光源）、凸透镜、光谱仪、黑匣子、硬卡（IC卡等）、小刀、剪刀、胶带等。复杂的色光被色散系统（如棱镜、光栅）最后，将分散的单色光按波长（或频率）大小依次排列的图案称为光谱。 光谱的最大部分 可见光谱是电磁波谱中人眼可见的部分。 此波长范围内的电磁辐射称为可见光。 但是光谱并不包括人脑可以看到的所有颜色，例如棕色和粉红色。 它是观察和研究光谱中最重要和最常用的仪器。 在日常生活中，我们发现光盘表面反射的光会形成彩色条纹； 这是因为光盘具有分光功能，是反射光栅。 我们可以利用光盘的这一特性来设计光盘光谱仪。 衍射光栅是由大量平行、等宽、等距的狭缝（或缺口）组成的精密分光元件，能分离不同波长的光，形成明亮而窄的光谱线，常分为透射光栅和反射光栅. 设凹槽部分宽度为a，非凹槽部分为b，a称为光栅常数。

当平行光斜入射到光栅上时，每个凹槽的反射光都会发生衍射，不同凹槽的衍射光会相互干涉。 A。 单元衍射 在一个凹槽中，两端边缘光线的光程差（DC=a） sin(sinEGFHsin[sinsin[sinsin[sin 单槽衍射sin[sin光栅的基本特性可以用其“分辨率”和“角色散”来表征。光栅的分辨率R越大，谱线的波长差越大被光栅隔开，光栅能够分辨的波长差越小，光栅分辨精细结构的能力越强，由理论知识可以推导出光栅的分辨率R为：jN(2)光栅的角色散率D是同阶谱线中两条谱线的衍射角之差φ与其波长差λ的比值。由上式可得光栅的角色散率与光栅常数d成反比，光栅常数d越小（即每毫米缝（槽）数越多），光栅的角色散率越大，光谱越远分的越多，光栅的分辨力越强。 式中j为衍射级数，N为光栅有效使用面积内狭缝（槽）总数。 对于某种光栅，有效使用面积越大，狭缝数量越多，谱线越细、越尖。 分辨力越大。 如右图所示，光盘主要由以下几层组成：底层是由聚碳酸酯树脂制成的较厚的透明基板，起到保护和支撑盘体的作用； 一层是染料层，涂有光学染料，是记录信息的层； 上层为金属膜（如铝膜等），作为反射层。 染料层上有周期性排列的螺旋状圆形轨道，称为“轨道”。

近视看起来像同心圆，如上图左图所示。 每个“轨道”的透光率和两个“轨道”之间的间隙是不同的。 它可以近似为半径较大的一维光栅。 当光线入射到该平面上时，根据光栅分光原理，光栅方程为：sin(sin 其中d为光栅周期-光盘上轨道宽度与轨道间距之和；λ是入射光的波长；物质结构的建立、物质结构的分析、天体奥秘的认识都是非常重要的手段。光谱仪是研究光谱最重要、最常用的仪器；但由于其成本高、体积大、携带不便 随着科技的发展，光盘作为一种高效便捷的存储介质，已经进入了这个信息时代。光盘的表面通常是彩色条纹的形式，CD-ROM 光谱仪的这一特点 1. 取一个长方体盒子，在正面开一条平行于长方体表面的狭缝 nd。 整齐划一； 因此，我们可以选择较硬的片材贴在纸箱缝上。 2.将CD放在纸箱的中后部，平行于狭缝，与纸箱表面成45°角（如上图）。 （切盘取样时，切勿损伤盘的金属膜。） 注：在实际应用中，由于狭缝较窄，入射光强度可能不足，造成不明显或无现象。 因此，可以在狭缝前放置一个半径较大的凸透镜，并且最好使狭缝位于透镜像侧的焦平面上，以获得最佳效果。

生产材料可在当地获得。 此处列出了制作第一个样品所用的一些材料和方法光谱仪光纤线，以供参考。 1、我们需要把选好的纸箱一端多余的纸剪掉，另一端留着。 2、建议用塑料卡做单缝，因为纸制品容易有碎屑，窄缝很难开。 3、为防止卡片贴在纸箱一端后四个角漏光，建议制作此装置，然后将塑料卡片插入其中。 4.将单缝卡片嵌入纸中，然后贴在纸箱开口端，用胶带粘好。 5.切割光盘。 由于圆盘的金属膜容易脱落，切割时要小心。 先把金属膜的一侧剪掉，然后用力剪掉光盘。 6、在纸盒的中后端切出45°的小缝，将切好的圆片放入其中。 7.用一张纸把放CD片的小缝贴上，以免漏光。 光盘光谱仪的物理图像观察方法 一般情况下，这种光谱仪可以直接观察光源的光谱。 观察时，将眼睛放在长方形孔的前面，将狭缝对准光源，上下或左右移动光谱仪，使观察到的光谱最亮、最清晰； 当然，您也可以使用数码相机采集光谱图像。 用小LED灯做光源观察，用小LED灯做点光源。 光线通过光盘光谱仪形成光谱，然后将手机放在观察窗前拍摄光谱。 观察图 如果在实验室使用汞灯作为光源，可以观察到光谱图 1. 实验 实验步骤 1. 用黑匣子观察现象，收集光谱。 2、用光谱仪观察圆盘的光谱现象。

(1) 将光谱仪调整到工作状态； (2) 将光谱仪中的圆盘垂直放置在光谱仪装载平台上，转动平台，使圆盘与准直器发出的光成45°，然后不同波长的光线1和光线2被一个角θ。 （如右上图） （3）调整望远镜筒的方向，使望远镜的垂直十字线分别对准灯1和灯2，在刻度盘上读数两次望远镜筒的角度. 两个角度的差就是实验中两对黄线分开的角度θ，我们测量一下。 三、与透射光栅相比 1、光谱仪仍需调整到正常工作状态； 2. 将光栅放在载物台上，使通过准直器后的平行光垂直入射到光栅上 3. 调整望远镜筒，分贝-1阶光谱和+1阶光谱分布在白色两侧可以发现光，在这两个光谱中，可以分别找到双黄线。 4、测量两对黄线θ，然后测量D。实验观察：中心是主要的最大零级谱线，其他几级谱线对称分布在它的两侧，从根据波长由短波到长波，形成光栅光谱。 实验数据如下：光线中的黄线为2529′20534′2535′20538′2523′20541′2530′20545′ 所以有： 2.数据章节 分光元件的角色散能力： 其中，波长的不同是指同阶谱线的两条黄线。线的波长差表示明亮的黄色线分开的角间距。 107266 因此，在实验室中，汞灯的黄色双线波长分别为577.0nm和579.1nm，波长差λ==2.1nm。 实验测量黄色双线间角距：透射光栅实验数据如下：双黄线485′547′22813′18558′219′219′482′540′22810′18551′218′489′551′22817 '1864'2111' 内黄线 4757'544'2284'18555'216'215' 4758' 544' 2285' 18556' 215' 483' 554' 22810' 1867' 213' 数据结果：108177. 积分： A。 它是由大量平行线、等宽、等距的狭缝（或凹槽）组成的分光元件； b. 实验原理是通过测量光的衍射角来计算光谱的角色散； C。 分光观察后的倒条纹观察基本相同。

(2) 区别： a． 衍射光栅测量透射光的衍射角，而光盘测量反射的衍射角； b. 两条谱线的光强差异很大。 C。 观察现象用透射光栅更明显，因为它是严格平行的，而光盘的凹槽是近似平行的。 多功能光栅光谱仪 平面光栅光谱仪 激光拉曼光谱仪 红外光谱仪 X射线荧光光谱仪 原子荧光光谱仪 光纤光谱仪 多功能光栅光谱仪 多功能光栅光谱仪（单色仪）是光谱分析和研究的通用设备。 可研究氢氘光谱、钠光谱等元素光谱（以元素灯为光源），也可作为激光拉曼光谱仪等更为复杂的光谱仪器的后端分析设备。 它由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元和计算机组成。 反射器 1 将通过入射狭缝进入的光反射到准直镜上。 当反射镜2离开光路时，来自物镜的光直接进入出射狭缝到达光电倍增管，当反射镜2进入光路时，出射光被反射到CCD接收器。 该设备集光学、精密机械和电子于一体。 ，计算机技术合二为一。 光学系统采用如图所示的Czerny-Turner器件。 该装置的入射狭缝S和分光感光板在垂直平面内相对于光栅G对称放置。 由于光路结构的对称性，可以将彗差和像散校正到理想水平，从而在更长的光谱范围内，谱线清晰均匀。

同时，由于球面镜M同时作为准直物镜和分光物镜，没有色差，分光面平直。 光源B发出的光经过消色差三透镜照明系统L均匀照射狭缝S，再经反射镜P折射至球面镜M下方的准直镜O1，经O1反射射向光束作为平行光束。 在光栅G上，不同方向的单色光束经光栅衍射后，打在球面反射镜中心窗口的暗箱物镜O2上，最后按波长排列聚焦在感光板F上，光栅旋转 G 以改变光栅的入射角。 可以更改拍摄谱线的波段范围和光谱顺序。 平面光栅光谱仪 平面光栅光谱仪是以平面衍射光栅为色散元件的光谱仪器。 目前广泛应用于生物、水质、土壤、植物、矿石、水泥、合金、药物等物质的光谱分析，特别是微量稀有元素和稀土元素的分析以及岩石的分析，冶金、机械等部门。 矿物、合金等物质的光谱定性、半定量和定量分析。 红外光谱仪研究红外光谱的方法主要是吸收光谱法。 使用了两种类型的光谱。 一种是用于单道或多道测量的棱镜或光栅色散光谱仪，另一种是利用双光束干涉原理，对干涉图进行傅里叶变换数学处理的非色散傅里叶变换红外光谱仪。 现代红外光谱仪是一种基于傅里叶变换的仪器。 这类仪器不用棱镜或光栅分光，而是用干涉仪得到干涉图，用傅里叶变换把以时间为变量的干涉图变换成以频率为变量的光谱。

与传统仪器相比，傅立叶红外光谱仪具有速度快、信噪比高、分辨率高等特点。 当仪器中的动镜运动时，两束相干光通过干涉仪的光程差发生变化，探测器测得的光强也随之发生变化，从而得到干涉图。 经过傅立叶变换的数学运算，即可得到入射光的光谱。 本仪器的优点： 多通道测量提高了信噪比。 高光通量提高了仪器的灵敏度。 波值精度可达0.01 cm-1。 增加移动镜的移动距离可以提高分辨率。 工作波段可从可见光波段扩展到毫米波段，可实现远红外光谱的测量。 红外光谱对样品具有广泛的适用性。 适用于固体、液体或气体样品，可检测无机、有机和高分子化合物。 此外，红外光谱还具有检测快速、操作方便、重复性好、灵敏度高、样品用量少、仪器结构简单等特点。 因此，它已成为现代结构化学和分析化学中最常用和必不可少的工具。 红外光谱与分子结构密切相关，是研究和表征分子结构的有效手段。 与原子发射光谱相比，除轻元素外，特征（鉴定）X射线光谱基本不受化学键的影响。 定量分析 基体吸收和增强效应更容易校正或克服，谱线简单，相互干扰少，易于校正或排除。 与其他方法相比，红外光谱被公认为一种重要的分析工具，因为它对样品没有任何限制，波长偏移在中红外区域。

具有红外和拉曼活性的分子，其红外光谱与拉曼光谱相似。 使用共振拉曼和表面增强拉曼可以提高测量灵敏度。 拉曼光谱的缺点是激光光源可能会损坏样品； 荧光样品的测量一般不适用，需要使用近红外激光激发等。 光谱强度具有一定的互补性：对于同一种物质，有的峰具有与拉曼散射完全对应的红外吸收，但也有许多峰具有拉曼散射而无红外吸收，或有红外吸收而无拉曼散射。 因此，红外光谱与拉曼光谱互补，可用于化合物的结构鉴定。 光谱是由不同的机制产生的：红外吸收是由于振动引起的分子偶极矩或电荷分布的变化。 拉曼散射是由于键上电子云分布的瞬时形变，引起暂时极化，诱发偶极子，回到基态时发生散射。 在散射的同时，电子云也恢复到原来的状态。 红外光谱与拉曼光谱的比较 1.无机化合物分析 有机化合物结构分析 有机化合物定量分析 3.有机化合物分析 化学结构测定 无机化合物杂质成分测定 激光拉曼光谱应用 4.聚合物拉曼应用曼光谱的研究： 2.表面吸附研究：用拉曼光谱研究吸附分子，可以消除基体对测量的干扰，容易获得吸附物质的完整光谱。 由于拉曼光谱叠加效应小，得到的光谱清晰。 拉曼光谱通常可用于研究聚合物分子的结构和几何形状以及识别聚合物。

原子荧光的种类：原子荧光分为共振荧光、非共振荧光和敏化荧光三种。 (1)共振荧光发出与原始吸收线波长相同的荧光。 气态原子吸收共振线被激发后，发出与原始吸收线波长相同的荧光，为共振荧光。 原子荧光光谱仪共振荧光的特点是激发线和荧光线的高低能级相同，其产生过程如图A所示； 如果原子被激发并处于亚稳态，它会吸收辐射进一步激发，然后发出相同波长的共振荧光，这种原子荧光称为热辅助共振荧光，如图B. (2)非共振荧光 当荧光的波长与激发光的波长不同时，称为非共振荧光。 非共振荧光又分为直线荧光、阶跃线荧光和反斯托克斯（anti-Stokes）荧光。 3）敏化荧光当激发的原子与另一个原子碰撞时，激发能转移到另一个原子使其激发，后者被激发以辐射的形式发出荧光，这就是敏化荧光。 在上述各种类型的原子荧光中，共振荧光强度最高，也最常用。 受光激发的原子可能会发出共振荧光或非共振荧光，并可能在没有辐射的情况下跃迁到低能级，因此量子效率一般小于1。原子吸收光谱是一种基于测量吸收的分析方法气态基态原子外层电子的共振线。 对于某种元素，原子吸收光辐射后，会根据跃迁过程中所涉及的能级发出一组特征荧光谱线。

在原子荧光光谱的实验条件下光谱仪光纤线，大多数原子处于基态，能激发的能级取决于光源发出的谱线，因此各元素的原子荧光谱线非常简单。 根据记录的荧光谱线的波长可以判断存在哪些元素，这是定性分析的基础。 原子荧光光谱法-原理检测限低，灵敏度高。 特别是对Cd、Zn等元素，检出限相当低，Cd可达0.001ngcm -3 ，Zn为0.04ngcm -3 。 原子吸收光谱法检出限以下的元素有2O以上。 由于原子荧光的辐射强度与激发光源成正比，因此使用新型高强度光源可以进一步降低检测限。 干扰少，谱线比较简单。 用一些装置，可以制成非色散原子荧光分析仪。 该仪器结构简单，价格便宜。 分析校准曲线具有较宽的线性范围，可达3～5个数量级。 可实现多种元素的同时测定。 由于原子荧光在空间中向各个方向发射，相对容易制作多通道仪器，从而可以实现多种元素的同时测定。 原子荧光光谱仪优势原子荧光光谱仪-物理图谱定性分析：每个原子只能被激发到其特定的激发态，因此每个原子所能吸收的光子的能量是特定的，即吸收光谱的波长为具体的 。 根据物质具体吸收的光谱波长进行定性分析。 定量分析：根据物质产生的原子蒸气对特定谱线的吸收情况进行定量分析。

用于原子荧光测量的仪器称为原子荧光光谱仪，分单通道和多通道。 前者一次只能测量一种元素的荧光强度，后者可以同时测量多种元素。 X射线荧光光谱仪主要由激发、色散、检测、记录和数据处理单元组成。 射线荧光光谱是当X射线照射原子核的能量与原子核内层电子的能量处于同一数量级时，原子核内层电子共振吸收射线的辐射能而发生跃迁，在内部电子轨道上留下一个空穴。 处于高能态的外层电子跳回低能态的空穴，将多余的能量以X射线的形式释放出来，产生的X射线是代表各自特性的X射线荧光线元素。 它的能量等于原子内层电子的能级差，即原子特有的层间电子跃迁的能量。 X射线荧光光谱仪的应用更适合野外和现场分析，一般采用便携式X射线荧光分析仪即可达到目的。 X射线荧光光谱仪 X射线荧光光谱仪-优点 峰背对比度和分析灵敏度显着提高，操作简单，适用于各类固体和液体物质的测定，它很容易使分析过程自动化。 样品在激发过程中不受损伤，强度测量的重现性好，便于无损分析。 可以分析F(9)～U(92)之间的所有元素。 新一代微型光纤光谱仪具有低成本、高分辨率、便携和高速测量等优点，可轻松应用于在线检测和实验室测量。

原理图 实物图 光纤光谱仪 棱镜光谱仪 光谱仪（spectrometer），又称光谱仪。 用光电倍增管等光电探测器测量不同波长位置谱线强度的装置。 装置的组成：入射狭缝、校准元件、色散元件、聚焦元件、出射元件。 其中，色散元件（由棱镜或衍射光栅等组成）将光波分离。 入口，通常由一条长狭缝组成，使所有通过入口狭缝的光线保持平行。该元件可以是透镜，也可以是将复合光色散成谱线或单色光的色散元件的少数或组成部分。