光栅光谱仪的使用
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——比较两种眼镜片的优劣
光栅光谱仪的使用
——比较两种眼镜片的优劣
【摘要】：在本次实验中，我用已校准的WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪，测量了两种镜片：溴化银镜片、pc加强树脂镜片的透过率和吸光度的光谱曲线，并分析比较了两种镜片在透过率和吸光度角度上的优劣。
【关键词】：光谱仪；镜片；透过率；吸光度
1 引言：
光谱分析是根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法,是研究原子和分子结构的主要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来自对各原子的光谱研究。通过光谱研究，可以得到所研究物质中所含元素的组分和原子内部的能级结构及相互作用等方面的信息。在光谱测量中，用于分光的光谱仪器和检测光的光探测器对分析结构有决定性作用。
2 多功能光栅光谱仪：
光谱仪是指利用折射或颜衍射产生色散的一类本光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器。光栅光谱仪有着很大的应用前景，在很多科学领域以及工业领域都有着举足轻重的地位：
1、在工业中的应用
在地质采矿中需要应用光栅光谱仪进行快速的光谱分析以辨别土地中金属以及稀土元素的类别。在冶金工业中其应用更加广泛，各种型号、大小、功率的光栅光谱仪运用在生产的各个环节，其主要是在炉前分析所需要元素的类别和含量。在制造工业中则是用它来进行原料和产品的分析和检验。在轻工业、农业和食品工业中光栅光谱仪都充当着不同但都很重要的角色。
2、在生物学和医学中的应用 人体中含有少量的微量元素，但是它们在身体中扮演着非常重要的角色，分析这些元素，各种光谱仪器是必不可少的，另外在生物细胞和各种维生素的研究过程中也经常用到此类仪器，有时经常用到此类仪器分析大分子的结构，对于解决生物学和医学的一些基本问题有着积极的推动作用。不可否认在制药工业中光谱仪都是很受用的。
3、在物理学和化学中的应用
其主要作用是研究物质的辐射、结构，以及光和物质之间的相互作用。光谱仪器可以研究原子和分子的能级分布、精细结构甚至是超精细结构，同时原子、核子物理学的发展也促进了高分辨率光谱仪器的发展
4、在天文学以及天体物理学中的应用
光谱仪器的出现促使天文学产生了巨大的飞跃，从而诞生了天体物理学，使我们能够更加详细的了解各种星体的大小、成分、重量以及温度等重要的信息。
实验中使用的是WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪。WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备机集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用C-T型，如图1
图1 光学原理图
M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、M4 转镜、G 平面衍射光栅
S1 入射狭缝、S2 光电倍增管吸收、S3 CCD接收
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2.5mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2或S3上。
M2、M3 焦距302.5mm
光栅G 每毫米刻线1200条 闪耀波长550nm 二块滤光片工作区间 白片 320-500nm 黄片 500-800nm、
3 透过率和吸光度：
在入射光通量自被照面或介质入射面至另外一面离开的过程中，投射并透过物体的辐射能与投射到物体上的总辐射能之比，称为该物体的透过率（transmittance ）。在光谱学，透光率是出射光和入射光强度的比：
吸光度（absorbance）：是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数（即lg(Iin/Iout)），影响它的因素有溶剂、浓度、温度等等：
对于不同波长（λ）的光，样本的吸光度未必一样。
4 实验问题的提出与分析：
什么样的镜片是好镜片？
在平常在室内工作学习的时候我们希望我们的眼镜能够清晰，明亮。这时我们应该选择透过率高的镜片。
而当光线强烈时，镜片对眼睛的保护就显得尤为重要，我们一般认为深色的镜片效果比较好，因为镜片的颜色深，透过的光线少，对眼睛的刺激小。这是原因之一，而镜片对紫外线的吸收效果也是很重要的。接下来我们就通过实验从透过率与吸光度的角度分析两种镜片：溴化银镜片与pc加强树脂镜片的优劣。
在此之前，我们先了解一下紫外线的知识：
紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，不能引起人们的视觉。1801年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。紫外线根据波长分为：长波紫外线UVA（波长320——400nm），中波紫外线UVB（波长280——320nm）和短波紫外线UVC（波长200——280nm）。
紫外线的波长愈短，对人类皮肤危害越大。短波紫外线可穿过真皮，中波则可进入真皮。 紫外线照射时，眼睛受伤的程度和时间成正比，与照射源的距离平方成反比，并和光线的投射角度有关。紫外线强烈作用于皮肤时，可发生光照性皮炎，皮肤上出现红斑、痒、水疱、水肿、眼痛、流泪等；严重的还可引起皮肤癌。紫外线作用于中枢神经系统，可出现头痛、头晕、体温升高等。作用于眼部，可引起结膜炎、角膜炎，称为光照性眼炎，还有可能诱发白内障，在焊接过程中产生的紫外线会使焊工患上电光性眼炎（可以治愈）。 紫外线对健康的危害可归纳如下:
1、免疫功能下降 2、对遗传因子的深度伤害 3、皮肤癌、白内障发病几率增加 4、背后和手脚的色斑癌的发病率增加 5、 造成皮肤暗沉、老化、斑点、皱纹 6、 癌前病变状态的日光角化症的增加 7：长期照射短波的紫外线可能会引起牙齿痛
5 测量汞灯的光谱图定为基线：
光源定为汞灯，需先预热10分钟。调节电压到300V左右。进入系统后首先开始初始化，使波长位置来到200nm处。工作方式选择基线。工作范围200nm——800nm。然后点击单程扫描开始测量，观察波长变化，使波长的峰值在800nm到1000nm之间。若发现峰值不在这一区间内，则需重新初始化，并且把电压适量调大或调小后再单程扫描观察波形变化。多次调整测量，直到波峰值在800nm到1000nm之间。波形测好之后，将寄存器中的数据保存成文件。波形如图所示：
6 测量pc加强树脂镜片的透过率和吸光度：
①透过率：
其他设置不变，选择数据存放在寄存器2，选择测量方式为透过率，重新初始化，点击单程扫描，就能得到pc加强树脂镜片透过率的谱线。谱线测好之后，将寄存器中的数据保存成文件。谱线如图所示：
②吸光度：
其他设置不变，选择数据存放在寄存器3，选择测量方式为吸光度，重新初始化，点击单程扫描，就能得到pc加强树脂镜片吸光度的谱线。谱线测好之后，将寄存器中的数据保存成文件。
谱线如图所示：
7 测量AgBr（变色）镜片的透过率和吸光度：
①透过率：
其他设置不变，选择数据存放在寄存器2，选择测量方式为透过率，重新初始化，点击单程扫描，就能得到溴化银镜片透过率的谱线。谱线测好之后，将寄存器中的数据保存成文件。谱线如图所示：-
②吸光度：
其他设置不变，选择数据存放在寄存器3，选择测量方式为吸光度，重新初始化，点击单程扫描，就能得到溴化银镜片吸光度的谱线。谱线测好之后，将寄存器中的数据保存成文件。谱线如图所示：
8 实验分析
我们将树脂镜片的透过率与溴化银镜片的透过率放在一个图中（图2）比较；将树脂镜片的吸光度与溴化银镜片的吸光度放在一个图中（图3）比较，如下：
图2
图3
（其中图2中下面的曲线为溴化银镜片，上面的曲线为树脂镜片；图3中下面的曲线为树脂镜片，上面的曲线为溴化银镜片。）
通过以上两个图的比较我们可以发现：
两种镜片在阻挡波长小于380nm的紫外线上表现得都十分出色，透过率甚至达到了接近0。而在380nm到400nm之间溴化银对紫外线的阻挡则更为好一些。而树脂镜片对可见光的透过率十分可观，几乎都在90%以上，反观溴化银镜片，对可见光的透过率就显得逊色良多了，波长越长，它的透过率就越高，但都只在60%到80%之间。 因此，如果从透过率和吸光度的角度来评价这两种镜片的话，pc加强树脂镜片要优于溴化银镜片。
9 实验总结：
在本实验中，我们采用Na灯校准了光谱仪，并用 校准的光谱仪对氢—氘原子，Hg 灯的光谱进行了测量， 并测定钨灯照射下黄色滤色片的透过率.绘制氢—氘 原子，Hg灯光谱及滤色片的透过率曲线，给出主要谱 线波长及相对强度，并与理论值进行比较。学习和掌
握了光谱仪这种先进的光学仪器。取得了良好的实验 效果。
10 参考文献：
[1] WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪说明书 [2] 王涵 冯飞伍 物理实验之光栅光谱仪的使用 [3] 百度百科：紫外线、透过率、吸光度
