紫外光可见分光计研究报告.docx

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1、紫外光可见分光计研究报告摘要：本作品设计出了一种紫外光可见分光计。它将分光计的望远镜内的分划板上制造上特殊结构的紫外荧光材料。它克服了国内外已有的分光计无法看到紫外光谱线的不足，使投射到分划板上的紫外线波长的不可见谱线，转化成了波长变大的可见光谱线，但是紫外谱线在分划板上的位置并没有变化，因而可以做紫外线相关实验或进行紫外线相关科研，也避免了紫外线对眼睛的伤害。这就扩展了现有技术中的分光计的应用范围、使学生对光谱有更深的认识。它用于高校的分光计相关实验教学和相关科研。背景及国内外现状：分光计是精密测光线偏转角的仪器。分光计既可用于实验教学，又可用于物理、化学等领域的科研。分光计实验及相关物理实

2、验是高校大学物理实验常做的实验项目。某些物理量如光波的波长、折射率、光栅常数、色散率等往往可以通过测量光线的偏转角度并通过计算来得出，它还可精确测定光学平面之间的夹角。而上述一些物理量又和被测材料的物理或化学特性相关，所以在相关技术领域中，分光计的应用十分广泛，即可用于教学，又可用于科学研究。但是，目前国内外的分光计只能读出可见光的谱线，对紫外线光谱根本看不到，这就限制了分光计的应用范围和实验内容的扩展，也无法进行紫外线领域相关的某些研究。另外，分光计实验或分光计相关科研中用的光源常常带有紫外线，虽然市面上己有的分光计看不到紫外线，但紫外线对人眼有害，应该设法避免或减少紫外线进入人的眼睛。目的

3、和意义：本作品就是为了解决上述分光计的不足，提供一种既可以看到可见光谱线、又可以看到紫外线波长范围内的不可见光谱线的紫外光可见分光计，它具有不改变市面上已有的分光计基本结构和原有的使用方法，生产和使用简单方便。它可以做紫外线相关实验内容或进行紫外线相关的科研。这就扩展了现有技术中的分光计的应用范围，它还具有减小实验光源的紫外线伤害人眼睛的功能。详细介绍（原理及依据等）：见右图。为了使分光计各个部件叙述简明起见，本作品把分光计各个部件名称做了整合：把角度盘以下的部分全部总称为底座1,平行光管6下面的支撑部分总称左支架2,望远镜7下面的支撑部分总称右支架10,左支架2及右支架10都为可调式固定在底

4、座1上。底座1的上部安装角度盘3及游标盘4及载物台5。平行光管6可调式固定在左支架2上。望远镜7可调式固定在右支架10上。望远镜7由物镜和自准式阿贝目镜相互可移动式套合，调好焦距后（也即使得入射望远镜的平行光经过望远镜出射光也为平行光），物镜的第二焦平面与目镜的第一焦平面重合，并且分划板也位于目镜的第一焦平面位置。所以，入射进望远镜的平行光的各种波长谱线，一定成像于分划板9的位置处（分划板9是透明玻璃刻上基本不透光的双十字线制作），人眼贴近目镜看出射的平行光时，经过人眼的聚焦就看到了清晰的分划板9位置处的可见光范围内的谱线了。但是，人眼的可以看到的光的谱线波长范围为400-780纳米，小于40

5、0纳米的谱线人眼是看不到的。而本作品在望远镜7内的分划板9上涂有紫外荧光材料8（见下图1紫外光可见分光计的光路图）。当紫外线投射在分划板9上的紫外荧光材料8上时，紫外线就激发紫外荧光材料8上的原子或分子由低能级向高能级跃迁，而后又自发地从高能级跃迁到低能级并释放出波长变大的光谱线，而这些波长变大的光已经落入了人眼的感光范围，所以在紫外光投射在分划板上的紫外荧光材料相应位置处，看不见的紫外光就转换成了可见光，但是发光位置（或光线的偏转角）还是原来紫外线投射位置（见图1）,因此就可以依此进行紫外线相关物理或化学等领域的实验或研究了。并且这还一举两得，因为紫外荧光材料8已经把紫外线转化成了波长变大的

6、可见光，对人眼睛就没损害了。当采用透光不太好的紫外荧光材料8情况下，必须仅仅使分划板9的部分区域带有紫外荧光材料。这样既可以保证可见光谱线的原有亮度，又兼顾紫外光谱线的观测。具体结构见左图。望远镜7内的分划板9上涂敷有一条（或多条）水平的紫外荧光材料8（即图中的灰色带），且水平长度横向满屏。以方便观察紫外光谱线在分划板9上的位置。透光十字窗13为分光计的望远镜7内部的反射棱镜上的内部小灯灯光的出光窗口。从上述可见，本作品不改变传统分光计原有的功能和结构及使用方法，生产厂家制造起来很容易，提高的产品成本微不足道，但是带来的如前所述的扩展了分光计的应用范围、减少光源的紫外线对人眼睛的伤害的优点是显

7、著的。主要功能和使用情况：利用分光计配合光栅，其分光原理可见图1。由图1可见，波长越短的谱线越靠近中央明纹，也即光线穿过光栅后的偏转角越小；波长越长的谱线则越远离中央明纹，也即光线穿过光栅后偏转角越大。利用改装好的分光计，配合衍射光栅（已知光栅常数d=3328.698（），实测方法及实验数据如下：1.先把分光计调好。光源为厂家标称波长为365纳米的LED紫外线灯，该灯原带有滤镜，但为了同时获得可见光的衍射谱线，将LED紫外线灯原有的可见光滤光片去掉了，以同时获得可见光谱线，方便对比该光源通过分光计和光栅后不同波长的光以不同的偏转角度出射情况，并可以对比紫外线荧光谱线和非紫外可见光谱线的区别（紫

8、外线的荧光谱线特点是：只有带紫外线荧光材料的区域才可看到）2.把紫外线光源放在分光计的准直管上的入射狭缝位置，转动分光计上的望远镜角度，寻找中央直射谱线（该中央明纹命名为第零条谱线）并使其落在分划板竖线上，记录此时对应的位置角度为66度，再往左转动分光计的望远镜所在角度，会看到第一条紫外线的荧光谱线。该谱线特点是仅仅在涂有紫外线荧光材料区域IEr蓝色谱线，但是在同一衍射角度的无紫外线荧光材料区域看不到可见光谱线。记下该谱线所在的位置角度为72.3度。则第一条紫外线的荧光谱线的光线偏转角：q=72.3-66.0=6.3（度）=0.1099（转换成弧度的角度数据）。根据光栅方程，Jsini=U（=

9、0,1,2,-）,式中d为光栅常数己知为3328.6980纳米，可计算第一条紫外线荧光谱线的波长：4=dsina=3328.698（）sin0.1（）99=365.09（，），该结果与紫外灯厂家给出的标称值365nm很吻合,说明了本作品的科学性和正确性。继续左转分光计上的望远镜，在78.6度的角度位置还可看到第二条蓝色的荧光谱线（特点还是无紫外线荧光材料处无可见光），这就是对应k=-2的情况，但是波长还是365.09纳米的紫外线（如果还是一级明纹对应仁-1,那么该角度对应的谱线应该是波长为730.18纳米的红光谱线才是）。从第一条蓝色紫外荧光谱线后，继续增大望远镜转角到第二条蓝色紫外荧光谱线期

10、间，中间跨越了中心波长对应角度为73.6度的蓝色谱带及中心波长对应角度为75.6度的绿色谱带，用上述计算方法可算出这两个谱带的中心波长分别为2=dsin2=3328.6980sin（73.6,-66）=440（nm）（蓝色谱带的）和,=dsi11a=3328.6980Xsin（75.6-66。）=555（?）（绿色谱带的）。这更说明本作品物理原理的科学性和正确性，因为要是按照光栅衍射规律，比绿色谱线偏转角更大的谱线应该是黄色或者红色谱线而不应该是蓝色谱线（公知的光线波长颜色范围：622-760纳米为红光、577-597纳米为黄光、492-577纳米为绿光、450-492纳米为青光、435-45

11、0纳米为蓝光、390-435为紫光）。这两条很宽的中心波长为440纳米的蓝色谱带及中心波长550纳米的绿色谱带都是非荧光的可见光区，因此在分划板的没有紫外线荧光材料的区域，也可看到光，这就与紫外线投射到紫外线荧光粉而产生的谱线发出的荧光谱线区分开了。虽然紫外线投射到分划板上的紫外线荧光粉上以后变成了波长变大的可见光，但是紫外线落在分划板上的原有位置没有变（或者说紫外线穿过光栅的偏转角度没变，利用分光计来进行研究的方法没有变），仅仅是由于紫外线的波长变大而让人们可以看到了，这就显著扩展了分光计的应用范围，克服了人类看不到紫外线的局限。这相当于在分光计的应用上，扩展了人类的视觉感光范围。结语（解决

12、的关键问题）：由于本作品在国内外已有的分光计的望远镜7内的分划板9上，增加了紫外荧光材料8,使得投射到分划板9上的紫外线波长的不可见谱线，转化成了波长变大的可见光谱线，但是紫外谱线在成像在分划板上的位置并没有变化，因而可以做紫外线相关实验内容或进行紫外线相关科研。这就扩展了国内外已有的分光计的应用范围、使得学生对光谱有更深的认识，也有利于提高学生的知识应用能力。另外由于紫外荧光材料8己经把紫外线转化成了波长较大的可见光，因而也减少了紫外线进入人眼睛而带来的损害。沿着本作品思路，还可再扩展，比如在分划板上涂有一条紫外感光材料的基础上，再从分划板上另一位置涂一条红外感光材料（但目前我们学生还没有找到该材料），还可以改装成红外、紫外光可见分光计，分光计的应用范围就更广了。创新点或特色作品创新点：1.可使国内外已有的、应用领域广泛的的分光计扩展应用范围，不但能研究可见光,还可用于研究紫外不可见光。2.使学生对光谱有更深的认识，有利于提高学生的知识应用能力。3.减小了紫外线进入人的眼睛而带来的损害。技术难点：1.该技术方案很不易想到。2.该仪器经过反复试验才成功的。该作品很具有应用价值。