光谱仪和光谱的观察
  光谱是光源所发射的辐射强度随波长（频率）的分布，它反映了光源的构成物质和其它的一些特性。我们今天所掌握的有关原子和分子结构方面的知识绝大部分都来自光谱的研究。在电磁辐射和物质相互作用时能观察到吸收或发射光谱，它们从多方面提供了原子和分子结构和它们与周围环境相互作用的信息。因此，光谱的观察在科学研究和生产生活中有着十分重要的意义。
【实验目的】
1． 掌握光栅光谱仪的工作原理和使用方法，学习识谱和谱线测量等基本技术。
2． 通过光谱测量了解一些常用光源的光谱特性。
3． 通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长验证巴尔莫公式并准确测出氢（氘）的里德堡常数。
4．*测出氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。
【原理】
1．典型光源光谱发光原理
（1）热辐射光源(白炽灯)
  这一类光源特点是物体在发射辐射过程中不改变内能，只要通过加热来维持它的温度，辐射就可继续不断地进行下去．这类光源包括我们常用的白炽灯、卤素灯、钨带灯和直流碳弧灯等一些常用光源。它们光谱是覆盖了很大波长范围连续光谱，谱线的中心频率和形状与物体温度有关，而与物质特性无关，温度越高，辐射的频率也越高。
  （2）发光二极管
图1原子自发辐射发射光子
  通过n型半导体的电子和p型半导体在结间的偶合发出光子，发光频率与电子跃迁能级有关。如果，跃迁的上能级为E2、下能级为E1，则发出光子的频率v满足
其中h=6.62610-34Js 为普朗克常数，发光二极管跃迁的上下能级都是范围较宽的能带结构，因此，其谱线宽度一般也较宽。分子和晶体也有这种带状的能级结构，谱线也有一定的宽度。
（3）光谱灯
光谱灯工作物质一般为气体或金属蒸汽，通过电激发的形式，使低能态的原子激发到较高的能级（图1），处于高能级的原子是不稳定的，会以自发辐射的形式会到低能级，辐射的光子也满足
               
E2和E1分别是原子自发辐射跃迁的上下能级，v为辐射的光子频率。原子的能级是分立的，可以从不同高能级不同低能级跃迁，因此，原子谱线也是分立的，谱线宽度一般也较窄。
2. 谱线半值线宽
图2谱线半值线宽
  谱线的半值线宽（半线宽）是光谱研究中一个很重要的参量，通过半线宽的测量我们可以知道谱线的频率分布的范围的大小，可以求得光源的相干长度等一些与光源特性有关的参量。如果一个光谱的分布函数的f()，在波长=0  达到极大f(0)（图2），在其左右两边各存在波长值λ1, λ2 ，有f(1)= f(2)= f(0)/2，则对应波长0峰值半线宽定义为Δ=|1-2|。峰值半线宽与相干长度ΔL关系为。
3. 氢原子光谱
氢光谱实验在量子理论的发展过程中有着非常重要的地位，1913年玻尔原子的量子轨道的理论，指出了原有经典理论不能用于解释原子内部结构，提出了微观体系特有的量子规律，揭开了量子论发展的序幕。
氢原子光谱的实验规律：
早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可以用一个普遍的公式表示，波数
                                    (1)
其中：m取1、2、3、4、5等正整数，每一个m值对应一个光谱线系，如当m＝2时便得到谱线    在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n取m+1、m+2、m+3、…等正整数，每一个n值对应一条谱线；R称为里德伯常数。式(1)称为广义巴耳末公式。   
    根据光谱实验规律和其它实验结果,玻尔提出了原子电子轨道的量子化理论,按照玻尔理论氢原子光谱巴耳末线系的理论公式为
                    （2）
式中0为真空介电常数，h为普朗克常数，c为光速，e为电子电荷，m为电子质量，M为氢原子核质量。即里德伯常数
                （3）
R为将核的质量视为无穷大(即假定核固定不动)时的里德伯常数。这样便把里德伯常数和许多基本物理常数联系起来了。因此式(3)和实验结果符合程度就成为检验玻尔理论正确性的重要依据之一。
这样(2)可写成
                                          （4） 
（n=3时，=656.28nm）
                 
*4. 同位素位移
由于同一元素的不同同位素，它们原子核所拥有的中子数不同，引起原子核质量差异和电荷分布的微小差异，而引起原子光谱波长的微小差别称为“同位素位移”。一般来说，元素光
谱线同位素位移的定量关系是很复杂的。对于重核，中子数目的增加除了增大原子核的质量外，还使原子核的半径发生变化，它们对同位素的光谱线都有影响。只有像氢原子这样的系统，同位素位移才可以用简单的公式计算。氢原子核是一个质子，其质量为M，氘核比氢核多一个中子，其质量近似为2M。由式(4)可知氢原子与氘原子的里德伯常数分别为
                          （5）
                      （6）
对于巴耳末线系，氢和氘的谱线计算公式分别为
                            （7）
                        （8）
对于相同的n，由式（5）~（8）可得
                      （9）
所以
                              （10）
同时由于用光谱实验可测得精确度很高的里德伯常数，因而也成为调
准基本物理常数值的重要依据之一。上式中的是用R。代替RH或RD计算得到的带灯H或D的近似值。用式(10)计算M/m时，
又可取D的数值。从实验测得的每一个H和D可算得M/m的一个值，最后求平均值。
【实验仪器】
光栅光谱仪、光谱灯、发光二极管、热光源、氢灯
【仪器介绍】
在上世纪九十年代以来，微电子领域中的多象元光学探测器（例如CCD，光电二极管阵列）制造技术迅猛发展，使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。光谱仪使用同样的CCD(CCD光谱仪)和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描，不需要转动光栅。
  光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。
  光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。微型光纤光谱仪的测量速度非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价
光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准，校准后光纤
光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。
光栅的选择选择决定了仪器的光谱范围以及分辨率的要求。对于光纤光谱仪而言，光谱范围通常在200nm-2200nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围；同时分辨率要求越高，其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求，300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率，可以通过选择3600线/mm的光栅，或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。
狭缝宽度对于测量是十分重要的。较窄的狭缝可以提高分辨率，但光通量较小；另一方面，较宽的狭缝可以增加灵敏度，但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中，选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。
探测器在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度，探测器上的光敏感区原则上是有限的，它被划分为许多小像素用于高分辨率或划分为较少但较大的像素用于高敏感度。通常背感光的CCD探测器灵敏度要更好一些，因此可以某个程度在不灵敏度的情况下获得更好的分辨率。近红外的InGaAs探测器由于本身灵敏度和热噪声较高，采用制冷的方式可以有效提高系统的信噪比。复享光谱仪依靠来自世界领先光学探测器先进生产商阵容，如So
ny,Hamamatsu,Thoshiba等产品技术支持。
滤光片是光谱仪的常用配件。由于光谱本身的多级衍射影响，采用滤光片可以降低多级衍射的干扰。和常规光谱仪不同的是，光纤光谱仪是在探测器上镀膜实现，此部分功能在出厂时需要安装就位。同时此镀膜还具有抗反射的功能，提高系统的信噪比。
光谱仪的性能主要是由光谱范围、光学分辨率和灵敏度来决定。对以上其中一项参数的变动通常将影响其它的参数的性能。
光谱范围较小的光谱仪通常能给出详细的光谱信息，相反大范围光谱范围有更宽的视觉范围。因此光谱仪的光谱范围是必须明确指定重要的参数之一。
影响光谱范围的因素主要是光栅和探测器，根据不同的要求来选择相应的光栅和探测器。
光学分辨率是衡量分光能力的重要参数。它取决于在被热敏元件探测时单光的带宽。三个部件对分辨率有影响：入射狭缝，光栅和探测器像素尺寸。细小的狭缝可以得到更好的分辨率，但降低了灵敏度；高刻划线的光栅增加了分辨率，但降低了光谱范围；较小的探测器像素尺寸增加了分辨率，但降低了灵敏度。
由上可见，选择光谱仪的三个重要指标之间具有非常密切的联系。通常我们要了解我们最需要的是什么，根据上述的原则进行狭缝、光栅和探测器的选择。
【实验内容】
1． 用光纤光谱仪测量高压汞灯的光谱，检查光谱仪是否需要波长校准。
2． 分别对热辐射源、发光二极管、光谱灯进行光谱测量。
3． 测量氢原子发射谱，出巴尔末线系的谱线，验证波尔轨道理论。
4． *测氢-氘谱，通过波长差求出质子与电子的比值。
[实验步骤]
1．光谱仪进行定标
1．1认真光谱仪介绍部分或阅读光谱仪说明书，弄清光谱仪扫描、寻峰等功能的应用。
1．2打开计算机，开光谱仪电源开关。打开高压汞灯。
1．3用鼠标点击morpho2011，运行光谱仪控制软件。
1．4．1定标需要用有特征谱线的光源作为参考，本实验采用高压汞灯作参考光源，其特征谱线为 404.66 nm, 407.78 nm, 435.84 nm, 546.08 nm, 576.96 nm, 579.07 nm。
1 . 4 . 2进入普通探测模式，打开工具|光谱定位工具栏，在光谱定标工具栏中依次填入6个参考波长，点击显示定标线按钮，在光谱窗口中显示这 6个波长对应的参考线。若参考线与光谱线相应六个峰值吻合则说明不需要定标，若有偏差用鼠标拖动参考线使六根参考线分别与相应峰值吻合，参考相与对应特征值之间的差异小于半缝宽即可认为达到吻合。然后按光谱定标按钮完成定标。再次按定标线按钮关闭过程。