计算机仿真物理实验1—塞曼效应 实验报告模板
计算机科学与技术学院 学院 计061 班 实验组号 10 姓名 ***** 学号 ******* 课程名称 大学物理实验(2) 2007 年 9 月 3 日 实验题目 计算机仿真物理实验1—塞曼效应
一、实验目的
1.通过计算机仿真软件研究汞原子(546.1nm)谱线在磁场中的分裂情况。
2.掌握法布里-珀罗标准具的原理和调节方法。
二、仪器设备
计算机仿真系统
三、实验原理
1、塞曼效应原理(自己概括,包括原理图)
2、法布里-珀罗标准具的原理(自己概括,包括光路图)
四、实验步骤
1、 点击计算机桌面上的“大学物理仿真实验 v2.0”,启动“大学物理仿真实验”软件。
2、 点击“下一页”,然后点击“塞曼效应”,进入“塞曼效应”实验主平台。
3、 在实验界面上右击鼠标,在快捷菜单上选取相应的内容,依次阅读“实验简介”、“实验原理”、“实验仪器”、“实验内容”和“实验思考题”。
4、 在实验界面上右击鼠标,在快捷菜单上选取“实验原理演示”,在下拉菜单中分别选取“塞曼效应原理”和“法布里-珀罗标准具的原理”,总结两个原理。
5、 在实验界面上右击鼠标,在快捷菜单上选取“开始实验”。
(1) 点击“垂直磁场方向观察塞曼分裂”
1. 右击鼠标,选择“实验光路图”,按照实验光路图,安排各装置的正确位置.鼠标单击仪器,进入拖动状态;鼠标再次单击,放置仪器.
2. 打开水银辉光放电管电源.
3. 调节各仪器的光路使其共轴.鼠标左键单击仪器,可以使仪器的水平高度降低;鼠标右键单击仪器,可以使仪器的水平高度升高.
4. 调整标准具.鼠标双击标准具,标准具进入调整状态.调节标准具,调节完毕返回。
5. 右击鼠标,选择“实验项目”,点击“鉴别两种偏振成分”,改变偏振片的偏振方向,观察Hg(546.1nm)谱线的分裂情况,写出鉴别π成分和σ成分的方法;点击“观察塞曼裂距的变化”,观察第k级圆环和第k+1级圆环的σ成分重叠情况。
6. 返回到“塞曼效应”实验主平台。
(2) 点击“平行磁场方向观察塞曼分裂”
1. 右击鼠标,选择“实验光路图”,按照实验光路图,安排各装置的正确位置.鼠标单击仪器,进入拖动状态;鼠标再次单击,放置仪器.
2. 打开水银辉光放电管电源.
3. 调节各仪器的光路使其共轴.
4. 调整标准具.
5. 右击鼠标,选择“观察圆偏振光”,鉴别σ谱线的左旋和右旋圆偏振光。
6、退出“大学物理仿真实验”。
五、实验数据记录及处理
一、垂直磁场方向观察塞曼分裂
1、写出鉴别π成分和σ成分的方法
(1,观察指导:偏振片的特点是:只允许通过电振动沿偏振片透振方向的光。 Hg()的谱线在磁场中分裂成就
二、平行磁场方向观察塞曼分裂
1、如何鉴别σ谱线的左旋和右旋圆偏振光。
三、写一份实验总结(300字)
六、讨论及思考题
1.如何鉴别F-P标准具的两反射面是否严格平行,如发现不平行应该如何调节? 答:判断和调整的依据是干涉方程:2dcos@=k入
判断方法:用眼睛上下、左右移动观察干涉圆环时有无吞吐现象,若无吞吐现象,说明两反射面平行。
调整方法:用鼠标选中f-p标准具的调节螺丝A/B/C。顺时针转动螺丝时(单击鼠标左键),将使相应的板间距d减少,逆时针转动螺丝(单击鼠标右键),将使相应的板间距d增大。
一、塞曼分裂谱线与原谱线关系
1、磁矩在外磁场中受到的作用
(1)原子总磁矩在外磁场中受到力矩的作用:
其效果是磁矩绕磁场方向旋进,也就是总角动量(PJ)绕磁场方向旋进。
(2)磁矩在外磁场中的磁能:
由于或在磁场中的取向量子化,所以其在磁场方向分量也量子化:
∴ 原子受磁场作用而旋进引起的附加能量
M为磁量子数
g为朗道因子,表征原子总磁矩和总角动量的关系,g随耦合类型不同(LS耦合和jj耦合)有两种解法。在LS耦合下:
其中:
L为总轨道角动量量子数
S为总自旋角动量量子数
J为总角动量量子数
M只能取J,J-1,J-2 ?? -J(共2J+1)个值,即ΔE有(2J+1)个可能值。 无外磁场时的一个能级,在外磁场作用下将分裂成(2J+1)个能级,其分裂的能级是等间隔的,且能级间隔
2、塞曼分裂谱线与原谱线关系:
(1) 基本出发点:
∴分裂后谱线与原谱线频率差
由于
为方便起见,常表示为波数差
定义为洛仑兹单位:
3、谱线的偏振特征:
塞曼跃迁的选择定则为:
ΔM=0 时为π成份(π型偏振)是振动方向平行于磁场的线偏振光,只有在垂直于磁场方向才能观察到,平行于磁场方向观察不到;但当ΔJ=0时,M2=0到M1=0的跃迁被禁止。
当ΔM=±1时,为σ成份,σ型偏振垂直于磁场,观察时为振动垂直于磁场的线偏振光。
平行于磁场观察时,其偏振性与磁场方向及观察方向都有关:
沿磁场正向观察时(即磁场方向离开观察者:?
ΔM= +1为右旋圆偏振光(σ+偏振) ΔM= -1为左旋圆偏振光(σ-偏振) )
也即,磁场指向观察者时:⊙ΔM= +1为左旋圆偏振光 ΔM= -1为右旋圆偏振光
分析的总思路和总原则:
在辐射的过程中,原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。
原子在磁场方向角动量为:
∴在磁场指向观察者时:⊙
当ΔM= +1时,光子角动量为,与同向
电磁波电矢量绕逆时针方向转动,在光学上称为左旋圆偏振光。 ΔM= -1时,光子角动量为,与反向
电磁波电矢量绕顺时针方向转动,在光学上称为右旋圆偏振光。 例:Hg 5461?谱线,{6S7S}3S1→ {6S6P}3P2能级跃迁产生
分裂后,相邻两谱线的波数差
实验方法:
观察塞曼分裂的方法:
塞曼分裂的波长差很小由于
磁场中 以Hg 5461 ?谱线为例当处于B=1T的
要观察如此小的波长差,用一般的棱镜摄谱仪是不可能的,需要用高分辨率的仪器,如法布里—珀罗标准器(F—P标准具)。
F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的,在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变,则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。
标准具在空气中使用时,干涉方程(干涉极大值)为标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。
自由光谱范围的物理意义:
表明在给定间隔圈原度为d的标准具中,若入射光的波长在λ~λ+Δλ间
间)所产生的干涉圆环不重叠,若被研究的谱线波长差大(或波数在
于自由光谱范围,两套花纹之间就要发生重叠或错级,给分析带来困难,因此在使用标准具时,应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度。 分辨本领:():
对于F—P标准具
N为精细度,两相邻干涉级间能够分辨的最大条纹数 R为反射率,R一般在90%
(当光近似于正入射时)
例如:d=5mm,R=90%,λ=546.1nm时
Δλ=0.001nm
第二篇:使用光学多道测量光谱实验预习报告
使用光学多道测量光谱实验预习报告
摘要
光多道探测器(OMA)是一个能够同时对多个检测通道完成光电转换,实现光谱并行检测的探测器。光学多道利用现代的光电技术—CCD来实现对光谱的接收、测量和处理。本文简单的阐述了光学多道仪的历史背景与发展前景,仪器的结构原理,以及实验的定标等基本问题。
关键词
光学多道仪;光谱仪;吸收光谱
正文
光谱分析是研究物质微观结构的重要方法,它广泛应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金和考古等部门。常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。涉及的波段从x射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过测量发光二极管发射光谱,使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法。
光学多通道分析器是集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体的精密仪器,能够更为精确的进行光谱测量。它的结构和工作原理较为复杂,但由于使用了计算机技术而使得操作过程非常方便。本实验通过对汞灯定标和测量发光二极管的光谱从而达到了解光学多通道分析器的工作原理,理解光谱测量与分析的重要性,并掌握操作方法的目的。
一、历史背景
1.光谱仪的发展
光谱起源于17 世纪,1666 年物理学家牛顿第一次进行了光的色散实验。他在暗室中引入一束太阳光,让它通过棱镜,在棱镜后面的自屏上,看到了红、橙、黄、绿、兰、靛、紫七种颜色的光分散在不同位置上——即形成一道彩虹。这种现象叫作光谱。这个实验就是光谱的起源,自牛顿以后,一直没有引起人们的注意。到1802年英国化学家沃拉斯顿发现太阳光谱不是一道完美无缺的彩虹,而是被一些黑线所割裂。
1814 年德国光学仪器专家夫琅和费研究太阳光谱中的黑斑的相对位置时,把那些主要黑线绘出光谱图。
1826 年泰尔博特研究钠盐、钾盐在酒精灯上光谱时指出,发射光谱是化学分析的基础、钾盐的红色光谱和钠盐的黄色光谱都是这个元素的特性。
到1859 年克希霍夫和本生为了研究金属的光谱自己设计和制造了一种完善 1
的分光装置,这个装置就是世界上第一台实用的光谱仪器,研究火焰、电火花中各种金属的谱线,从而建立了光谱分析的初步基础。
从1860 年到 1907 年之间、用火焰和电火花放电发现碱金属元素铯 Cs、1861 年又发现铷 Rb 和铊Tl,1868 年又发现铟 In和氦 He
1869 年又发现氮 N。1875~1907 年又相继发现镓 Ga,钾 K,铥 Tm,镨 Pr,钋 Pe,钐 Sm,钇 y,镥 Lu 等。
1882 年,罗兰发明了凹面光栅,即是把划痕直接刻在凹球面上。凹面光栅实际上是光学仪器成象系统元件的合为一体的高效元件,它解决了当时棱镜光谱仪所遇到的不可克服的困难。凹面光栅的问世不仅简化了光谱仪器的结构,而且还提高了它的性能。 波耳的理论在光谱分析中起了作用,其对光谱的激发过程、光谱线强度等提出比较满意的解释。从测定光谱线的绝对强度转到测量谱线的相对强度的应用,使光谱分析方法从定性分析发展到定量分析创造基础。从而使光谱分析方法逐渐走出实验室,在工业部门中应用了。
1928 年以后,由于光谱分析成了工业的分析方法,光谱仪器得到迅速的发展,一方面改善激发光源的稳定性,另一方面提高光谱仪器本身性能。
最早的光源是火焰激发光谱;后来又发展应用简单的电弧和电火花为激发光源,在上世纪的三十、四十年代改进采用控制的电弧和电火花为激发光源,提高了光谱分析的稳定性。工业生产的发晨,光谱学的进步,促使光学仪器进一步得到改善,而后者又反作用于前者,促进了光谱学的发展和工业生产的发展。
六十年代光电直读光谱仪,随着计算机技术的发展开始迅速发展,1964 年 ARL 公司展示一套数字计算和控制读出系统。由于计算机技术的发展,电子技术的发展,电子计算机的小型化及微处理机的出现和普及,成本降低等原因、于上世纪的七十年代光谱仪器几乎 100%地采用计算机控制,这不仅提高了分析精度和速度,而且对分析结果的数据处理和分析过程实现自动化控制。
解放后,我国的光谱仪器工业从无到有,由小到大,得到飞跃的发展,且具有一定的规模,与世界先进技术竞争中求生存,社会商品竞赛中得到发展。
1958 年开始试制光谱仪,生产了我国第一台中型石英摄谱仪,大型摄谱仪,单色仪等。中科院光机所开始研究刻制光栅,59 年上海光学仪器厂,63 年北京光学仪器厂开始研究刻制光栅,63 年研制光刻成功。
1966—1968 年北京光学仪器厂和上海光学仪器厂先后研制成功中型平面光栅摄谱仪和一米平面光栅摄谱仪及光电直读头。
1971—1972 年由北京第二光学仪器厂研究成功国内第一台 WZG—200平面光栅光量计,结束了我国不能生产光电直读光谱仪的历史。
八十年代以来,我国铸造行业开始引进光电直读光谱仪作为熔炼过程中化学成份控制的分析手段,并逐步取代了我国传统的湿法化学分析法,至今已发展到中小企业也逐步采用光谱法配合作炉前分析。国外引进的铸造生产线已配备了专用的光谱分析设备,作为成套设备进入中国,这是铸造行业对质量控制要求越来越严的发展的必然结果,也是光电光谱分析本身的优点决定了这一技术自 1945 年问世以来,历时五十六年而经久不衰之缘故。
2. 原子吸收光谱的发展历史
(1)第一阶段 原子吸收现象的发现与科学解释
早在1802年,伍朗斯顿(W.H.Wollaston)在研究太阳连续光谱时,就发现 2
了太阳连续光谱中出现的暗线。1817年,弗劳霍费(J.Fraunhofer)在研究太阳连续光谱时,再次发现了这些暗线,由于当时尚不了解产生这些暗线的原因,于是就将这些暗线称为弗劳霍费线。1859年,克希荷夫(G.Kirchhoff)与本生(R.Bunson)在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时,发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时,会引起钠光的吸收,并且根据钠发射线与暗线在光谱中位置相同这一事实,断定太阳连续光谱中的暗线,正是太阳外围大气圈中的钠原子对太阳光谱中的钠辐射吸收的结果。
(2)第二阶段 原子吸收光谱仪器的产生
原子吸收光谱作为一种实用的分析方法是从19xx年开始的。这一年澳大利亚的瓦尔西(A.Walsh)发表了他的著名论文'原子吸收光谱在化学分析中的应用'奠定了原子吸收光谱法的基础。50年代末和60年代初,Hilger, Varian Techtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光谱商品仪器,发展了瓦尔西的设计思想。到了60年代中期,原子吸收光谱开始进入迅速发展的时期。
(3)第三阶段 电热原子吸收光谱仪器的产生
19xx年,苏联里沃夫发表了电热原子化技术的第一篇论文。电热原子吸收光谱法的绝对灵敏度可达到10-12-10-14g,使原子吸收光谱法向前发展了一步。近年来,塞曼效应和自吸效应扣除背景技术的发展,使在很高的的背景下亦可顺利地实现原子吸收测定。基体改进技术的应用、平台及探针技术的应用以及在此基础上发展起来的稳定温度平台石墨炉技术(STPF)的应用,可以对许多复杂组成的试样有效地实现原子吸收测定。
(4)第四阶段 原子吸收分析仪器的发展
随着原子吸收技术的发展,推动了原子吸收仪器的不断更新和发展,而其它科学技术进步,为原子吸收仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。近年来,使用连续光源和中阶梯光栅,结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器,设计出了微机控制的原子吸收分光光度计,为解决多元素同时测定开辟了新的前景。微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构,提高了仪器的自动化程度,改善了测定准确度,使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。联用技术(色谱-原子吸收联用、流动注射-原子吸收联用)日益受到人们的重视。色谱-原子吸收联用,不仅在解决元素的化学形态分析方面,而且在测定有机化合物的复杂混合物方面,都有着重要的用途,是一个很有前途的发展方向。
3. 原子吸收光谱法的优点与不足
(1) 检出限低,灵敏度高。火焰原子吸收法的检出限可达到ppb级,石墨炉原子吸收法的检出限可达到10-10-10-14g。
(2) 分析精度好。火焰原子吸收法测定中等和高含量元素的相对标准差可<1%,其准确度已接近于经典化学方法。石墨炉原子吸收法的分析精度一般约为3-5%。
(3)分析速度快。原子吸收光谱仪在35分钟内,能连续测定50个试样中的6种元素。
(4)应用范围广。可测定的元素达70多个,不仅可以测定金属元素,也可以用间接原子吸收法测定非金属元素和有机化合物。
(5)仪器比较简单,操作方便。
(6) 原子吸收光谱法的不足之处是多元素同时测定尚有困难,有相当一些元 3
素的测定灵敏度还不能令人满意。
4.发展前景
传统的光谱测量技术由于受到光谱分辨率、灵敏度、时间、分析速度的限制,已经不适应科学技术的发展和应用的需要。20世纪60年代激光科学技术特别是可调谐激光技术的发展,新型光谱探测元件及探测技术的发展,光电二极管自校准技术和微弱光谱信息的接收技术和处理技术以及微处理机的应用,使光谱测量技术的发展产生了一个革命性的变化,进入了一个新的发展时期。传统的摄谱仪、光电分光光度计等光谱仪已逐渐被光学多道分析仪OMA(Optical Multi-channel Analyzer)所取代。
随着原子吸收技术的发展,推动了原子吸收仪器的不断更新和发展,而其它科学技术进步,为原子吸收仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。近年来,使用连续光源和中阶梯光栅,结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器,设计出了微机控制的原子吸收分光光度计,为解决多元素同时测定开辟了新的前景。微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构,提高了仪器的自动化程度,改善了测定准确度,使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。联用技术(色谱-原子吸收联用、流动注射-原子吸收联用)日益受到人们的重视。色谱-原子吸收联用,不仅在解决元素的化学形态分析方面,而且在测定有机化合物的复杂混合物方面,都有着重要的用途,是一个很有前途的发展方向。
二、平面光栅的分光原理
光学多通道分析器原理为平行光束入射到平面光栅G(光栅平面的方位可由精密机械调节)时,将发生衍射,衍射时有光栅方程:
dsin??k?,k?0,?1,?2?
式中d是光栅常数,λ是入射光波长,k是衍射级次,θ为衍射角。由光栅方程可知,当光栅常数d一定时,不同波长的同一级主最大,除零级外均不重合,并且按波长的大小,自零级开始向左右两侧,由短波向长波散开。每一波长的主最大,在光栅的衍射图样中都是很细、很锐的亮线。
由dsinθ=kλ可知,级次间距对应dcos?????,????/(dcos?),当角度θ较小的时,角度间隔?θ最小,当角度θ增加时,角度间隔?θ增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时可以简化为线性,即可采用线性定标,更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3次、或4次定标。
三、实验仪器简介
实验使用的是WGD-8型光学多通道分析器,由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元及计算机组成(结构见下图)。它集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体,可用于分析300nm-900nm范围内的光谱。
CCD传感器是WGD-8型光学多通道分析器数据采集部分的核心,也是整个系统的关键所在,它的作用是将衍射光谱转换成电信号。
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图1 WGD-8型光学多通道分析器原理图
CCD全称电荷耦合器件(Charge—Coupled Device)是一种以电荷量表示光量大小,用耦合方式传输电荷量的新型器件。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等一系列优点。自19xx年问世以来,发展迅速、应用广泛。CCD线列已用于光谱仪,将它置于光谱仪的光谱面,一次曝光就可获得整个光谱,并且易于与计算机连接。面阵CCD已用于电视摄像机和卫星遥感器。
CCD的工作过程是:当CCD受到光照后,各个CCD单元内贮存的电荷量与它的曝光量成正比;若给它施加特定时序的脉冲,其内部单元存贮的信号电荷便能在CCD内作定向传输、实现自扫描,进而将由光照感生的电荷依次传送出去。 WGD-8型光学多通道分析器数据采集部分的另一个作用是将线阵CCD输出的模拟电压信号转换成数字电压信号,并存储在外部RAM中。这样数据就成为计算机能够读取的有效数据了。
计算机处理部分的功能是控制整个系统工作,将数据由外部RAM中读入、并保存在内部RAM并作分析、处理,最后计算出结果并根据要求显示和打印。因此对于计算机的使用是本次实验的关键,实验之前必须把软件的说明仔细阅读,同时对于计算机与光学多通道分析器的连接线路也应该仔细研究。最后考虑到数据量可能比较大,我们需要耐心等待实验结果并且尽量不干扰仪器获得的数字电压信号及原始数据。
WGD-8A型光学多道分析仪仪器参数如下:
示值精度:0.01nm 波长精度:?0.4nm 分辨率:优于0.06nm
钠灯特征谱线:589.0nm、589.6nm
氢灯特征谱线:656.28nm、486.13nm、434.05nm、410.18nm
氘灯特征谱线:656.11nm、486.01nm、433.93nm、410.07nm
汞灯特征谱线:312.6nm、313.2 nm、334.2 nm、404.7 nm、407.8 nm、435.8 nm、491.6 nm、546.1 nm、577.0 nm、579.1 nm、623.4 nm、
690.7 nm
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