系统的写一下今天的实验。
图1
1. 仪器:上海精科UV754N,如图1.
2.仪器技术指标,如下图
3.如下图进行观察,单色光波长选择580nm的黄光。
说明,
1)仪器的单色器的出射狭缝口处,装着一个黑色圆筒(长约5cm),上面有透镜。用一个白纸观察衍射情况。
2)单色器的入射狭缝和出射狭缝,通过测量,物理宽度是0.5mm。
3)透镜的焦距,经粗略测量是4cm。
4实验结果:
1)在观察屏在透镜的焦平面处时,观察到的矩形光斑最小,最亮;如果前后移动观察屏,矩形光斑都会变大,变暗。观察不到明显的衍射光斑。
在观察屏离透镜10cm处,上述矩形光斑,已经比较暗了,再远,就基本看不清了。这个过程也看不到衍射光斑。
2)由于单色光的波长增大,衍射条文的宽度会变大,所以,选择红光观察,结果一样。
5.实验结果分析
1)是不是单色光的光能量比较低,造成其他级次的衍射光看不到。
有这种可能,因为中央亮条纹能量占单色光的92%左右,一级亮条纹占4.5%,二级亮条纹占1.7%。。。。。。
2)有没有可能中央亮条纹和一级亮条纹重合了,以致观察不到呢。下面就这种讨论一下。
计算一下衍射光斑的宽度。
上图是衍射光斑的亮条纹的线宽度的示意图。
计算公式如下:
其中,f是透镜的焦距,a是狭缝宽度,λ是波长。
在这个实验中,f = 4cm, a = 0.5mm,λ=580nm±0.2nm (计算时忽略误差),计算时,都换算成mm单位。
根据公式,计算一下中央明条纹和一级明条纹的宽度。
△x0 = (2x4x10x580x10的负6次方) / 0.5 = 0.1mm
即使测量透镜焦距时(就是前后移动观察屏,来观察光斑的大小,最小时,透镜到观察屏的距离就是焦距),有1cm的误差,焦距为3cm和5cm时的,中央亮条纹宽度分别为:0.07mm和0.12mm。
可是,我用游标卡尺,实际测量观察屏上观察到的矩形光斑的宽度为0.8mm。
计算是0.1mm,怎么实际测量是0.8mm呢,如果包含一级亮条纹,那是0.1+ 0.05*2 = 0.2mm(两个一级亮条纹宽度是0.05mm),也相差好多。
疑问:
这个公式会不会错呢。
因为衍射分为菲涅尔衍射和夫琅和费衍射。上面亮条纹宽度公式是夫琅和费的公式。当狭缝和观察屏的距离大于5m时,是夫琅和费衍射。小于的,都是菲涅尔衍射。教材一般说,由于菲涅尔衍射计算公式涉及较多数学推算,都从略了。
不过,看到上面的计算公式时,举的例子,透镜的焦距是40cm的,也是按这个公式计算的.........
展望:
那分光光度计到底存在衍射吗?会不会对测量结果有影响呢?
衍射存在的话,会对仪器的哪项指标产生影响呢?
最大可能是杂散光。
在2007版的紫外可见分光光度检定规程中,有杂散光的要求:
杂散光只检测220nm,360nm,420nm波长处的。
而另一个事实是,随着波长的变短,衍射的亮条纹的线宽度会变的更窄。那就是说,如果单纯考虑衍射引起的杂散光,那500nm以上的单色光的影响更大,那为什么不检测500nm以上的杂散光呢。
难道衍射的次级亮条纹引起的散射,在短波长处的影响大于长波长处的 ?
我们假设,500nm以上,一次亮条纹4.5%入射光能量去散射。500nm以下,二级亮条纹1.7%入射光能量去产生散射。
散射按散射粒子的大小分为瑞利散射和米氏散射。
粒子线度在1/5~1/10光波波长下的,叫瑞利散射,即散射体比光波波长小。
线度和光波波长同数量级的是米氏散射。
瑞利散射:散射光强度与入射光波长的
四次方成反比。有介绍说瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3次。
米氏散射:米氏散射其实是大粒子散射的一种特殊情况,米氏散射是对球形导电粒子的散射,但大粒子散射理论,还不完善。米氏散射时,散射光强与波长的关系不显著。
这么说来,假设是瑞利散射。因为米氏散射跟波长关系不大。
根据以上所述,我们做些假设,考虑580nm和420nm情况:
A. 580nm,一次亮条纹4.5%入射光能量去散射。420nm,二级亮条纹1.7%入射光能量去产生散射。
B.散射线的强度只有入射光强度的10-3次;散射光强度与入射光波长的
四次方成反比;
(580/420)的4次方=3.6,就是420nm的散射光是580nm的3.6倍。
C.580nm和420nm的能量比,根据以前anping老师发的一个钨灯能量扫描图,如下图,假设580nm能量100%,那420nm就是60%。
D.杂散光是完全由散射引起的。
现在计算下580nm和420nm处杂散光能量
580nm杂散光能量:100%×4.5%×(10-3次)= 0.000045
420nm杂散光能量:60%*1.7%×3.6×(10-3)=0.00003672
420nm处的杂散光和580nm处的杂散光 。比值为1:1.2,是580nm处的杂散光大。
不过,如果我们最初假设,580nm和420nm 使用相同级次亮条纹散射,比如4.5%能量去散射。那420nm和580nm比值是
[60%*4.5%×3.6×(10-3)]/[100%×4.5%×(10-3次)] = 2:1.
420nm的杂散光是580nm处的2倍。
只要是相同级次的亮斑,都是这个比值。
另外,假设,调百时,是用的衍射的中央亮条纹,杂散光是由中央亮条纹和其他几次亮条纹产生的。看看最后计算的杂散光多大。
就是: 100%×(10-3次方)/92% = 0.1%。
那么,如果这个计算是正确的,仪器检定时,最后测试的杂散光是0.1%。
当然,这个计算结果,是基于上面所有的假设。
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呵呵,总算给tutm老师交了个作业。