光栅光谱仪PPT讲稿.ppt

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1、光栅光谱仪1第1页，共28页，编辑于2022年，星期四复习复习一、夫琅和费一、夫琅和费多缝多缝衍射衍射(平面光栅平面光栅)：振幅分布：振幅分布：A=a0(sin/)(sinN/sin)强度分布：强度分布：I=a02(sin/)2(sinN/sin)2 其中：其中：=asin/=dsin/(sin/)2:单缝衍射因子单缝衍射因子 (sinN/sin)2:缝间干涉因子。缝间干涉因子。2第2页，共28页，编辑于2022年，星期四二、缝间干涉因子的特点：二、缝间干涉因子的特点：1、主极强的位置：主极强的位置：sin=k/d 或或 d sin=k 2、主极强的强度主极强的强度：I=N2I10 （I10：

2、单缝零级强度：单缝零级强度）3、主极强的数目：、主极强的数目：k d/（sin 1，若：，若：d,k 只能取零，除只能取零，除零级外，无其它主极强。）零级外，无其它主极强。）3第3页，共28页，编辑于2022年，星期四4、暗线（点）的位置：暗线（点）的位置：=(k+m/N)，或或 sin =(k+m/N)/d k=0、1、2、3、m=1、2、3、N-1每两个主极强之间有每两个主极强之间有N-1条暗线，有条暗线，有N-2次极强。次极强。5、主极强亮线的宽度：、主极强亮线的宽度：=/（N d cosk）4第4页，共28页，编辑于2022年，星期四三、单缝衍射因子作用：三、单缝衍射因子作用：1、单缝

3、衍射因子并不改变主级强的位置、单缝衍射因子并不改变主级强的位置和半角宽度，但会改变各主级强的强度。即和半角宽度，但会改变各主级强的强度。即单缝衍射因子的作用仅在于影响强度在各主单缝衍射因子的作用仅在于影响强度在各主极强间的分配。极强间的分配。2、缺级问题：缺级问题：条件：条件：sinN/sin具有极大，具有极大，sin/为零，为零，即：即：sin=k/d，sin=k /a k=k d/a k =1、2、3、5第5页，共28页，编辑于2022年，星期四新授：2、光栅光谱仪一、光栅的分光原理1、光栅方程（公式）：sin =k/d 或:d sin =k 主极强位置 不同波长的同级主极强位置出现在不同

4、的方向，长波的衍射角大，短波的衍射角小，如果入射光里包含几种不同波长的光，则除0级外各主极强的位置都不同。（见图2-1）6第6页，共28页，编辑于2022年，星期四7第7页，共28页，编辑于2022年，星期四2、用缝光源照明时，看到的衍射图样中，有几、用缝光源照明时，看到的衍射图样中，有几套不同颜色的亮线（谱线），它们各自对应一套不同颜色的亮线（谱线），它们各自对应一个波长。个波长。各种波长的同级谱线集合起来构成光源各种波长的同级谱线集合起来构成光源的一套光谱，光栅具有分光作用。的一套光谱，光栅具有分光作用。3、光栅的光谱与棱镜的光谱有一个重要的区别：、光栅的光谱与棱镜的光谱有一个重要的区别：

5、光栅的光谱一般有许多级，每一级是一套光谱，光栅的光谱一般有许多级，每一级是一套光谱，总的有几套光谱，而棱镜光谱只有一套。总的有几套光谱，而棱镜光谱只有一套。8第8页，共28页，编辑于2022年，星期四二、光栅的色散本领和色分辨本领1、光栅的性能标志主要有两个：色散本领和 色分辨本领。2、色散本领：为了描述波长差的两条谱线 其角间隔或在幕上的距离l有多大.角色散本领定义：角色散本领定义：D=/线色散本领定义：线色散本领定义：Dl=l/设光栅后面聚集物镜焦距为f:l=f Dl=D9第9页，共28页，编辑于2022年，星期四3、光栅的色散本领：sink=k/d cos k k=k/d D=/=k/d

6、 cos k Dl=l/=k /d cos k D 1/d Dl f/d 为了增大角色散本领d要小，每mm内数百条或上千条缝：d10-2 10-3mm。对于1级光谱（k=1）:D 0.1/埃 1/埃，为了增大线色散本领，常达数米,Dl 0.11mm/埃.10第10页，共28页，编辑于2022年，星期四11第11页，共28页，编辑于2022年，星期四4、光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领 色散本领只反映谱线（主极强）中心分离的程度，它色散本领只反映谱线（主极强）中心分离的程度，它不能说明两条谱线是否重迭，要分辨波长很接近的谱线需不能说明两条谱线是否重迭，要分辨波长很接近的谱线需要每条谱线都很细要每

7、条谱线都很细。+角间隔：谱线半角宽度:无法分辨:刚好分辨:=较好分辨:（见图（见图2-2）12第12页，共28页，编辑于2022年，星期四瑞利判据：=两条谱线刚好分辨的极限 谱线的半角宽度：=/(N d cosk)=/D=/D =(/N d cosk)/k/(d cosk)=/(N k)越小，色分辨本领越大。越小，色分辨本领越大。分光仪器的色分辨本领定义为：分光仪器的色分辨本领定义为：R=/光栅的色分辨本领公式为：光栅的色分辨本领公式为：R=N k 只与k、N有关，与d无关。13第13页，共28页，编辑于2022年，星期四14第14页，共28页，编辑于2022年，星期四（Note:Dl=l/=

8、k /d cos k,d=1/200=0.005(mm),k=1）15第15页，共28页，编辑于2022年，星期四三、量程与自由光谱范围1、量程：光栅能够测定的波长的最大范围 d sin k=k ,k 900,sin 1,所以：Md 即：工作于不同波长段的光栅光谱仪，要选用光栅常数适当的光栅备件。16第16页，共28页，编辑于2022年，星期四2、自由光谱范围 考虑光栅光谱中可能发生邻级光谱线重迭的现象，m与 M受到限制。例：1=800埃 2=400埃则:1的一级谱线正好与 2的二级谱 线重迭。所以对于一级谱线来说：m M/217第17页，共28页，编辑于2022年，星期四四、闪耀光栅1、透射

9、光栅的缺点：对于零级无色散级：(sin /)2与(sinN/sin)2都最大：1和N2这意味着0级主极强占有了总光能的很大一部分，其余各级谱线的强度比较小，不便于观测。18第18页，共28页，编辑于2022年，星期四2、闪耀光栅（平面反射光栅）目的目的：将单缝衍射0级与缝间干涉0级错开，从而把光能移到所需要的某一级谱线上（让零级成为缺级）。方法：方法：选择两种照明方式：第一种：平行光束沿槽面法向方向 n 入射。第二种：平行光束沿光栅平面法线方向N入射（见图2-3）。19第19页，共28页，编辑于2022年，星期四20第20页，共28页，编辑于2022年，星期四第一种照明方式：单槽衍射的0级是几

10、何光学的反射方向，即沿原方向返回（b）。相邻槽面之间，在 n 方向上的光程差：L=2 d sin b（为什么有系数2？）满足2 d sin b=1 b的 1 b称为一级闪耀波长（此时k=1）。可见：光栅单槽衍射0级主极强正好与的一级槽间的主极强重迭。21第21页，共28页，编辑于2022年，星期四22第22页，共28页，编辑于2022年，星期四 考虑到ad,1b的其它级（包括0级）都几乎落在单槽衍射击的暗线位置，形成缺级，这样80%90%的光能集中在光的一级谱线上，使其强度大大增加（见图2-4）。同理：若 2b满足，2 d sin b=2 2 b（此时k=2），光强集中在于级闪耀波附近的二级光

11、谱中。显然：可以通过设计不同的闪耀角b，使光栅适用于某一特定波长的某一级光谱 上。23第23页，共28页，编辑于2022年，星期四第二种照明方式：平行光束沿光栅平面法线N入射，经槽面反向的几何光线与入射方向有2b的夹角。这时相邻槽面间的光程差将为:L=dsin2 b 有关这种照明方式衍射图样的分析与第一种类似，只是需采用斜入射的公式进行处理（见1习题3）。作业：P30 3、4.24第24页，共28页，编辑于2022年，星期四3 3 三维光栅三维光栅 晶体对晶体对 X X 射线的衍射射线的衍射一、一、X 射线射线1895年德国的伦琴偶然发现。故也称伦琴射线。AK高压高压高速电子束轰击固体靶时所产

12、生的一种波长极短的电磁辐射。#在电磁场中不发生偏转。#穿透力强#波长极短，范围在0.001nm10nm之间。当遇含杂质的溶液时能发生散射。1、定义：、定义：2、特点：、特点：#能使许多固体发出可见荧光#能使空气电离#能使照像底片感光25第25页，共28页，编辑于2022年，星期四二、晶体对二、晶体对X 射线的衍射射线的衍射 天然晶体的点阵间距与X射线的波长同数量级（10-8cm），可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅。劳厄于1912年利用右图所示的实验装置，进行了晶体对X 射线的衍射实验，在乳胶板上观察到了对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。1913年英国物理学家布喇格父子提出一种简化了的

13、研究X射线衍射的方法，与劳厄理论结果一致。BCP铅版铅版天然天然晶体晶体乳胶板乳胶板X射线 验证了X射线的波动性，也因此获得了1914年的诺贝尔物理学奖。26第26页，共28页，编辑于2022年，星期四三、布喇格方程三、布喇格方程一束平行光与晶面成0角入射到晶面上，则：同一晶面上相邻粒子（如A、B）散射的光波的光程差零 AD-BC=0，它们相干加强。若要在该方向上不同晶面上粒子散射光相干加强，则相邻层对应粒子必须满足：即当满足上式时，各层面上的众多粒子的无穷次波（即反射光）相干加强，即当满足上式时，各层面上的众多粒子的无穷次波（即反射光）相干加强，形成细锐的亮点，称为形成细锐的亮点，称为 j

14、级衍射主极大。级衍射主极大。因为晶体中粒子排列的空间性，所以，劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。1、点阵平面簇、点阵平面簇构成晶体的粒子（如原子）密集地排列成一系列平行于晶体天然晶面的平面簇（如右图示），平面簇间的间距均为d。32AB1ddCDMNP2、布喇格方程、布喇格方程27第27页，共28页，编辑于2022年，星期四X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广泛的应用。术上有着广泛的应用。在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。19531953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X X 射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（核酸（DNA)DNA)的双螺旋结构，荣获了的双螺旋结构，荣获了1962 1962 年年度诺贝尔生物和医学奖。度诺贝尔生物和医学奖。28第28页，共28页，编辑于2022年，星期四