实验四十二用光乎多通道分析器(OMA)研究氢原子光治 361 后用弹簧压 听指的角度 直相等的刻 实验四十二用光学多通道分析器(OMA)研究氢原子光谱 一个点，在 过满度.根 【目的要求】 】,渊定氢原子巴耳末系发射光谱的波长和氢的里德伯常数： 的单缝安 2,了解氢原子能级与光谱的关系，画出氢原子能级图： 收材料，用 3.了解光学多通道分析器的原理和使用. 强度蜂的 【仪器用具】 接收电表 氢灯、汞灯、透镜、光学多通道分析器 记下一次 【原理】 衍射极小 光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、治金、 考古等部门.常用的光谐有吸收光谱，发射光谱和散射光谱，涉及的波段从X射线、紫外光、可 1的平 见光、红外光、到微波和射频波段.本实验通过测址氢原子在可见光波段的发射光谱使大家了 解光谱与微观结构（能级）间的联系和光谱测址的基本方法。 一、氢原子光谱 多动到另 1下表所 图42]是氣原子的能级图.根据玻尔理论，氢原子的能级公式为： E(n）-- 综是 (n=1,2,3,…) (42.1) 式中以=m/(1十i/M)称为约化质量，m,为电子质量，M为原子核质址.氢原子的M/m,等 于1836.15. Elev 0 二的 -3.39 -13.6 莱是系 巴耳末系 帕邢系 100 130 200 300 50010002000nm 图21氢原子的能级图
362 第五单元 电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能堂，为两能级间的能量差， hv=E(m)-E(n)(m>n). (42.2) 如以波数σ=1/入表示，则上式为 g=Em》:E@=Tw)-Tm)=R六-， (42.3) hc 式中R:称为氢原子的里德伯常数，单位是m1,T(n)称为光谱项，它与能级E(n)是对应的. 从R:可得氢原子各能级的能量 E(n)=-RuchI 2, .(42.4) 式中h=4.13567×10-5eV·s,c=2.99792×10m·s-1 从图42-1可知，从m≥3至n=2的跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律 g=R安-、m=345… (42.5) 这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳未系.氢原子的莱曼系位于紫外，其他 线系均位于红外 二、光学多通道分析器(Optical Multichannel Analyzer,OMA) 子，形成一 利用现代电子技术接收和处理某一波 对导电作用 光源 多通道 信母 多色仅 检测器 处理器 长范围（入~）内光谱信息的光学多通道 光子的作 检测系统的基本框图如图422所示. 导体与Si() 图12-2()MA框图 入射光被多色仪色散后在其出射窗口 是可以传号 形成入~入的谱带.位出射窗口处的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱 和曝光时阳 的分布，由信号处理系统扫描、读出、经AD变换后存贮并显示在计算机上 成一维或 (OMA的优点是所有的像元(N个)同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道光谱 将成为一南 系统检测同一段光谱的总时间快N倍，在极取一段光谱的过程中不需要谐仪进行机械扫描、 我们 不存在由机械系统引起的波长不重复的误差；减少了光源强度不稳定引起的谱线相对强度 线阵，其光 误差；可测其光谱变化的动态过程 值在550n 多色仪及光源部分的光路见图42-3.光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S·入射 为144m> 光经平面反射镜M,转向90°，经球面镜M:反射后成为平行光射向光栅G.衍射光经球面镜 总长为28 M,和平面镜M,成像于观察屏P.由于各波长光的衍射角不同，在P处形成以某一波长入，为 302mm, 中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征.转动光栅(G可改变中心波长，整 色散△/公 条谱带也随之移动.多色仪上有显示中心波长入，的波长计.转开平面镜M,可使M:直接成像 约为5.55 于光电探测器C(D上，它测堂的谱段与观察屏P上看到的完全一致. 辨率即两 CCD是电荷耦合器件(Charge--Coupled Device)的简称，是一种以电荷址表示光强大小， 是2048道 用耦合方式传输电荷世的器件，它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命 每次 长、可常性高等优点.将(CCD一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获得整个光谱.目前，二维 转换，将 面阵CCD已大量用F摄像机和数字照相机. 到我们熟 CCD的结构如图42-4所示，衬底是P型Si,硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金 使用 属作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容.如果金属电极登于高电位，在金属界面积累了 (1) 一层正电荷，P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂质离 (2)
实验四十二用光学多通道分析器(OMA)研究氢原子光谱 363 2.2) 2.3) 的. 2.4) A/D 警终染 2.5) 处理系统 其他 图123(MA光路1图 子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动 一波 对导电作用没有任何贡献.在耗尽区内或附近.由 通道 光子的作用产生电子空穴对，电子被吸引到半 导体与Si():绝缘体的界面形成电荷包，这些电子 V 窗口 是可以传导的.电荷包中电子的数目与入射光强 强弱 和曝光时间成止比，很多排列整齐的CCD像元组 成一维或二维CCD陈列，曝光后一帧光强分布图 金属 光谱 将成为一帧电荷分布图。 ++++++++ 描， 我们采用的是具有2048个像元的CCD一维 502 强度 线阵，其光谱响应范围为200~1000nm,响应峰 日日、日日8耗尽层 值在550nm,动态范围大于2.每个像元的尺寸 P-Si 入射 为14um×14um,像元中心距为14μm,像敏区 总长为28.672mm.多色仪中Mz,M的焦距为 为 302mm,光栅常数为1/600mm,在可见光区的线 色散△/△1（光谱面上单位宽度对应的波长范围） 图12-4((7)小乐意图 成像 约为5.55nm/mm,由此可知CCD一次测址的光谱范围为5.55×28.67约为159nm.光谱分 辨率即两个像元之间波长相差约0.077nm.在(OMA中每个像元称为一“道”，本实验的系统 小， 是2048道(OMA. 寿 每次采样（曝光）后每个像元内的电荷在时钟脉冲的控制下顺序输出，经放大、模数(A/D) 二维 转换，将电荷其即光强顺序存入采集系统（微机）的寄存器，经微机处理后，在显示器上就可看 到我们熟悉的光谱图.移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所处的道数和相对光强值. 层金 使用者可通过屏幕提示来操作采集系统，一般操作界面主窗口下包括的菜单项有： 了 (1)文件主要提供文件打开/关闭、结果打印和程序退出等功能。 贡离 (2)运行 主要包含一些数据采集子菜单项，如实时采集、背景采集和改变起始波长
364 第五单元 等 【附 (3)数据处理一主要提供对采集到的光谱数据进行操作处理的功能，如定标、平滑、扩 展、数据读取和两谱图的加减等.定标就是用光标从光谱中找出各已知波长的谱峰所处的道 数，并输入相应的波长值，计算机用最小二乘法拟合道与波长的关系，拟合后横坐标由原来的 道数标度变为波长标度。 (4)设置一用来修改CCD的工作参数和显示模式，如曝光时间、平均次数、累加次数和 相关 显示范围等.增加曝光时间、平均次数和累加次数可增加信噪比和提高弱峰的计数，但设置曝 光时间时要考虑CCD动态范围的限制. (5)帮助一提供在线帮助. 其他详细说明见仪器说明书. 【实验内容】 由于H.线的波长为656.28nm,Ha线为410.17nm,波长间隔达246nm,超过CCD一 帧l59nm的范围，所以要分两次测其.第一次测址H,H,和H&三条线，第二次单独测址H. 线.第一次测址时用Hg灯的546.07nm(绿光)、435.84nm(蓝光)、404.66nm(紫光)等谱线 作为标准谱线来定标；第二次用Hg灯的546.07nm,576.96nm(黄光)，579.07nm(黄光)及 三条紫外光的二级光谱线312.567×2=625.13nm、313.17×2=626.34nm和334.17×2= 668.34nm来定标. 实验步骤： 1.将多色仪起始波长调到390nm,入射狭缝S:的宽度为0.1mm. ,2。用笔形汞灯作光源，调节L,S与多色仪共轴，并令光源S成大像于入射狭缝处，这时在 多色仪的观察屏P上观察到清晰、明亮的水银谱线。 3.转动M4,使光谱照到CCD上.调节入射狭缝，使谱线变锐，选择适当的曝光时间以获 得清晰、尖锐的谱图.由于谱线强度不同，对不同的谱线可选用不同的曝光时间. 4.用水银的几条标准谱线定标，使横坐标表示波长(nm). 5.改用氢灯，转动M,使谱线成像在观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强度为最强， 6,转动M4,测址H,Hy,H6的波长 7.将多色仪的起始波长调至540nm,用Hg灯定标后，测出H。线的波长， 8.列表： H. H Hr Ha 用 /nm a/m-1 -1/m2 9.根据式(42.3)用线性拟合求出R 10.根据式(42.4)画出n=1,…,6及n为∞的能级图，单位用eV,小数后取2位.并标出 Ha,HB,Hy,H8各线是对应哪两个能级的跃迁
实验九测定金属的杨氏模量 103 CD专用 【数据处理】 寸23cm, 1.用计算法处理数据 (1)6L:用本实验第一部分中逐差法对r,(i=1,2,,8),(i=1,2,…,8)进行处理，计算 L及其不确定度（用标准差π表示）； 放大率为 (2)L及估计其不确定度（以极限误差红表示）； (3)ā及计算其不确定度（以标准差z表示）： (4)计算结果及不确定度：E士0g: 由公式(9.2)及F=Mg(M为砝码质量)，S=寻xdP(d为金属丝直径)，可得 ),使金属 E=4g匙 nd28L (9.18) 上下自由 2.用作图法和最小二乘法处理数据 刻槽对准 作6L-M图，考察两个物理量之间是否成直线关系. “侧同时对 将L和M的相应数据用最小二乘法求直线斜率，并代入公式(9.18)计算E 意调整后 注意减小 【附 录】 一、CCD的工作原理 窗内细横 1,感光作用及光和电的转换 输出端子 图像是由像素组成行，由行组成帧.对于黑白图像来说，每个像素应根据光的强弱得到不 接到摄像 同大小的电信号，并且在光照停止之后仍能把电信号的大小保持记忆，直到把信息传送出去， CD位置 这样才能构成图像传感器. CCD器件是用MOS(即金属-氧化物-半导体)电容构成的像 金属极 二氧化硅 素来实现上述功能的.在P型硅衬底上通过氧化形成一层SiO2, 的读数为 然后再淀积小面积的金属铝作为电极，见图911.P型硅里的多 据表列法 数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子.当 型硅 金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载 流子进行排斥或吸引.于是带正电的空穴被排斥到远离电极处， 十耗尽区 剩下不能移动的带负电的受主杂质离子在紧靠SiO,层形成负电 米 荷层（耗尽层）.这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进 图9lCCD基本结构示意图 入就不能复出，故又称为电子势阱。 12V直 当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SO,层射入，或经衬底的薄P型硅射 用手触摸 入)，光子的能量被半导体吸收，产生电子空穴对，这时出现的电子被吸引贮存在势阱中，这些 较细密， 电子是可以传导的.光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之.这样就把光的强弱变成电荷 的数量，实现了光和电的转换.而势阱中的电子是被贮存状态，即使停止光照，一定时间内也不 会损失，这就实现了对光照的记忆. 总之，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成像素，既可“感光”又可留下“潜 影”，感光作用是靠光强产生的电子积累电荷，潜影是各个像素留在各个电容里的电荷不等而 形成的.若能设法把各个电容里的电荷依次传送到他处，再组成行和帧并经过“显影”，就实现
104 第二单元 了图像的传递 2.电荷转移原理 二、附表 由于组成一帧图像的像素总数太多，只能用串行 方式依次传送，在常规的摄像管里是靠电子束扫描的 方法工作的，在CCD器件里也需要用扫描实现各像 生铁 素信息的串行化.不过CCD器件并不需要复杂的扫 锻生铁 描装置，只需外加如图9-12所示的多相脉冲，依次对 灰口铸铁、自 可锻，铁 并列的各个电极施加电压就能办到.图9-12中%， 碳钢 孕，%是相位依次相差120°的三个脉冲源，其波形都 镶络钢、合直 是前缘陡峭后缘倾斜.若按时刻t41~5分别分析其作 特种钢 铸钢 用，可结合图9-13讨论工作原理. 轧制纯铜 在排成直线的一维CCD器件里，电极19分别 冷拔纯铜 接在三相脉冲源上.将电极1~3视为一个像素，在% 轧制磷膏铜 锡青铜 图9-12CCD的转移电压 为正电压的t1时刻里受到光照，于是电极1之下出现 皱青钢 康铜 锰铜 轧制铝 拔制铝线 诗铝膏铜 冷拔费铜 轧制锰青 硬铝合金 铸造船合 铝镍合金 镁合金 轧制锌 铅 镍 【参考文1 ①王 图9-13CCD电荷转移原理 势阱，并收集到负电荷.同时，电极4和7之下也出现势阱，但因光强不同，所收集到的电荷不 等.在时刻t2,电压9已下降，然而%电压最高，所以电极2,5,8下方的势阱最深，原先贮存在 电极1,4,7下方的电荷将移到2,5,8下方.到时刻t,上述电荷已全部向右转移一步.如此 类推，到时刻5已依次转移到电极3,6,9下方.二维的CCD则有多行，在每一行的末端，设 置有接收电荷并加以放大的器件，此器件所接收的顺序当然是先收到距离最近的右方像素，依 次到来的是左方像素.直到整个一行的各像素都传送完再开始传送第二行 由此可见，扫描已在依次传递过程中体现，上述全部过程都由固态化的CCD器件完成
