主题：【讨论】分光光度计入射狭缝的衍射对仪器性能有影响吗？

原文由 祥子(nemoium) 发表:

原文由 tutm(tutm) 发表:

原文由 abcdefghijkl123(abcdefghijkl123) 发表:
对于我来说,这个理论有点复杂哦,平时我们在使用分光光度计时,好像不需要这些知识啊

呵呵，这位版友不必太疑惑的。这个主题其实只是讨论一个物理现象，只涉及少许计算，并没有什么理论发现。只是这个现象也许与分光光度计的光路设计有些关系。

如果你平时只是按有关标准做测试，完全不必理会这些内容的，就像你的网名那样，按部就班顺序地做就行了。

只是，如果哪天感觉有些现象或问题超出了你能理解的范围，而你恰好又有兴趣想知道“为什么”。那么这个论坛就提供了一个很好平台，可以讨论一下超越常规工作的内容，届时大家也会热忱地给你不少好的想法或建议的；这个主题就是这么个类型的讨论。

呵呵，这个网友的名字真是很有意思。abcdefghijkl123，还好论坛没注册，不然26个字母都不够用了。

就像你的网名那样，按部就班顺序地做就行了。

这个名字确实太有才了。

只在一本书写杂散光时，提了一下衍射。但后面就再也没提，都是散射光。

继续讨论下去，我想tutm老师跟我一样，感觉比较累了。

只能留待"未解之谜",让时间来证明了。

原文由 tutm(tutm) 发表:
呵呵，能与各位讨论起来也是有幸啊！有许多问题讨论后还是有不少收获的，至少原有的认识能深入一些，即使没有完整的解释至少也能有所拓展啊。

原文由 祥子(nemoium) 发表:
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。

....................

呵呵，总算给tutm老师交了个作业。

原文由 祥子(nemoium) 发表:

原文由 tutm(tutm) 发表:
呵呵，能与各位讨论起来也是有幸啊！有许多问题讨论后还是有不少收获的，至少原有的认识能深入一些，即使没有完整的解释至少也能有所拓展啊。

确实啊，讨论对我 有很大的帮助。

原文由 tutm(tutm) 发表:
厚度与狭缝相比最好是1:1以下，不然衍射斑分离会较差，游标卡尺应该太厚了些。

原文由 大陆(handsomeland) 发表:

原文由 tutm(tutm) 发表:
厚度与狭缝相比最好是1:1以下，不然衍射斑分离会较差，游标卡尺应该太厚了些。

很遗憾错过了前面精彩的讨论。
手边有卡尺和激光笔，也凑个迟到的热闹。卡尺厚度约2mm，调到0.2mm缝宽，结果也可以明显看到衍射展宽，如图。
两个光斑可能是狭缝内侧较光滑而镜面反射导致的。

原文由 tony81(tony81) 发表:
狭缝的刀口部分都是做的非常薄的 一般不会超过0.3mm
衍射的话是无可避免的 通过滤光片可以去掉一部分杂光
但是比较长的样品室光程会比较好