【资料】原子发射光谱法(共20讲)

原子发射光谱法：10 光谱仪-（1）棱镜摄谱仪



光谱仪的作用是将光源发射的电磁辐射经色散后，得到按波长顺序排列的光谱，并对不同波长的辐射进行检测与记录。

光谱仪的种类很多，其基本结构有三部分，即照明系统、色散系统与记录测量系统。按照使用色散元件的不同，分为棱镜光谱仪与光栅光谱仪。按照光谱记录与测量方法的不同，又可分为照相式摄谱仪和光电直读光谱仪。

本章仅就目前常用的棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪与光电直读光谱仪进行讨论。

（1）棱镜摄谱仪

目前有实用价值的为石英棱镜摄谱仪，石英对紫外光区有较好的折射率，而常见元素的谱线又多在近紫外区，故应用广泛。这种仪器在20世纪40～50年代生产较多。现在由于光栅的出现，同时石英材料价格昂贵，已无厂家再生产了。但已有的石英棱镜摄谱仪仍在使用。

图7为Q-24中型石英棱镜摄谱仪光路示意图，光源Q发出的光经三透镜照明系统聚焦在入射狭缝上。准光镜将入射光变为平行光柬，再投射到棱镜上进行色散。波长短的折射率大，波长长的折射率小，色散后按波长顺序被分开排列成光谱。再由照相物镜将它们分别聚焦在感光板上，便得到按波长顺序展开的光谱。每一条谱线都是狭缝的像。




图7 Q－24摄谱仪光学系统图

Figure 7 Schematic diagram of a prism spectrograph

1— 电极；2一三透镜照明系统；3一狭缝；4－准光镜；

5一棱镜；6一物镜；7一感光板



1）照明系统。三透镜照明系统，其作用是使光源发出的光能均匀地照明狭缝的全部面积，即狭缝全部面积上的各点照度一致，并且所得到的谱线上照度均匀。

2）色散系统。光谱仪的好坏主要取决于它的色散装置。光谱仪光学性能的主要指标有色散率、分辨率与集光本领，因为发射光谱是靠每条谱线进行定性、定量分析的，因此，这三个指标至关重要。

① 色散率。是把不同波长的光分散开的能力。有角色散率dθ/dλ表示（指波长差为一单位时。两相邻谱线被色散开的角度）和线色散率dL/dλ两种表达形式。在实际工作中常采用线色散率dL/dλ的倒数dλ/dL来描述仪器色散能力的大小。其值越小，仪器的色散能力越大，它可用下式描述：

= × × （2）



= × × （2）

式中，ε—感光板与摄谱仪主光轴间的夹角；f—摄谱仪与暗箱物镜的焦距；n—棱镜的折射率；m—棱镜数目；dn/dλ—棱镜材料的色散率；A—棱镜顶角。

由式2可知，感光板与摄谱仪主光轴间的夹角ε越小，摄谱仪与暗箱物镜的焦距f越大，棱镜数目m越多，棱镜顶角A值越大，则仪器的色散能力越大（实际摄谱仪中各参数应该合理设计）。由于波长λ的变化对棱镜材料的色散率dn/dλ影响很大，λ越大，dn/dλ值越小，dλ/dL值增加，使仪器的色散能力下降。

② 分辨率。摄谱仪的分辨率是指摄谱仪的光学系统能正确分辨出紧相邻的两条谱线的能力。用两条可以分辨开的光谱线的波长平均值 与其波长差Δλ之比值表示。棱镜摄谱仪的理论分辨率R理用下式表示。




式中，t—棱镜底边的宽度。

色散率与分辨率是两个不同的概念。色散率是仪器将不同波长的光分散开的能力，即将紧邻的两条谱线分散开；至于能否分辨出，要由分辨率来决定。当然，色散率大的仪器分辨率也大。

③ 集光本领。表示光谱仪光学系统传递辐射的能力。常用入射于狭缝的光源亮度为一单位时在感光板焦面上单位面积内所得到的辐射通量来表示，集光本领与物镜的相对孔镜平方（d／f）2成正比，而与狭缝宽度无关。d为照相物镜孔径，f为焦距。狭缝宽度变大，像也增宽，单位面积上能量不变。增大物镜焦距f，可增大线色散率，但要减弱集光本领。