光谱感光板的特性曲线

一、实验课题意义及要求

光谱感光板具有极广泛的使用范围，在0.01～13000Å的光谱范围内都可以用它作为光的接收器和记录器。虽然由于近代科学技术的发展，在某些方面已经利用光电测光装置来代替感光板记录光的信息，但是一般的光电测光装置只能局部地反映出照射光的强度，却不能得到一个完整的形象。照相方法在近代科学技术中仍占有极重要的地位。近年来，虽然彩色照相已被广泛地使用，但在科学技术领域中，主要还是利用黑白照相作为记录光学信息的主要手段，本实验就是以光谱感光板作为研究对象的。

为了能够得到良好的照片，尤其是当利用照相方法进行光谱定量分析时，多用光谱感光板，这就必须了解它的性能。这种性能可以由它的特性曲线表现出来。本实验将通过光谱感光板特性曲线的测定来了解它的性能。

本实验要求了解光谱感光板的特性，掌握用时间标法制作感光特性曲线，并利用感光特性曲线来测定氢氘灯中氢氘的含量比，同时学会测微光度计等仪器的使用方法。

二、参考文献

[1] 清华大学分析化学教研室.现代仪器分析（上册）[M].北京:清华大学出版社，1983.

[2] 魏继中.光谱化学分析[M].呼和浩特:内蒙古人民出版社， 1978.

三、提供仪器及材料

仪器:平面光栅摄谱仪、测微光度计。

材料:光谱感光板、氢灯、氢氘灯、显影液、定影液。

四、开题报告及预习

1.光谱感光板由哪些部分组成?各部分有何作用?

2.光谱感光板上影像的形成主要经过哪些步骤?

3.什么叫曝光量?曝光量的大小由哪些因素决定?

4.什么叫光谱感光板的光学密度?光谱感光板的光学密度跟它所接受的曝光量之间有什么关系（即光谱感光板的特性曲线）?

5.什么叫反差?光谱感光板的反差有何物理意义?

6.如何制作光谱感光板的感光特性曲线?有哪些方法?

7.测微光度计的基本结构和工作原理是怎样的?

8.如何正确使用测微光度计测量光谱感光板上光谱线的黑度?要注意哪些问题?

9.如何利用光谱感光板的特性曲线来测量氢氘灯中氢和氘的含量比?

五、实验课题内容及指标

1.用时间标法制作光谱感光板的感光特性曲线。

2.测量氢氘灯中氢氘的含量比。

六、实验结题报告及论文

1.报告实验课题研究的目的。

2.介绍实验的基本原理和实验方法。

3.介绍实验所用仪器装置的基本原理和操作方法。

4.对实验数据进行处理和计算，要求算出所用光谱感光板的反差和氢氘灯中氢氘的含量比。

5.报告通过本实验所得收获并提出自己的意见。

实 验 指 导

一、实验原理

1.光谱感光板上影像形成的过程

光谱感光板主要由两部分组成:片基和感光层。光谱感光板的片基是平板玻璃，感光层是由溴化银、明胶和增感剂组成。感光层厚约10～25μm。溴化银是感光物质，它以直径为0.1～3μm的微细晶粒分散在明胶中，因而明胶为支持剂。增感剂的作用是提高感光层的灵敏度和扩大感色范围。

感光层中影像形成过程主要可分3步:光谱感光板的曝光、显影和定影。下面介绍这3个过程的简单机理。

（1）曝光。以溴化银的曝光过程为例。溴化银分子是由负离子Br-和正离子Ag+组成的。在光的作用下，光子由溴离子中扯出一个电子，这一电子与银离子结合后，就产生一中性的银原子。其化学过程如下

Br-+hν→Br+e-

e-+Ag+→Ag（中性的）

在光的作用下，只是溴化银晶粒表面和某一部分产生金属银。这部分被光所还原的金属银就在光谱感光板上形成了隐蔽像，称之为“潜像”。显然照射光越强，或者说照射在光谱感光板上的光子数目越多，则形成“潜像”的溴化银晶粒也越多。

（2）显影。当把曝过光的光谱感光板放入显影液中时，在溴化银表面上的一部分被光所还原的金属银将成为“显影中心”。在显影过程中，整个晶粒就从“显影中心”开始还原，逐渐向溴化银晶粒的整体上扩张。最后，整个晶粒都被还原。

（3）定影。在显影之后，那些被还原的黑色晶粒就组成了一定形象的影像。但未感光的晶粒在显影后将不发生任何变化，若经过长时间的强光照射，这些未感光的晶粒也会变黑，这样就会破坏原来的影像。在定影时，那些没有感光，即没还原的溴化银晶粒将溶解在定影液中。

最后还应指出，在显影和定影之后，感光板都应该经过清水的冲洗，尤其是在定影之后，必须用流动的清水冲洗10～15min，用清水冲洗的目的在于清除感光板上残存的化学药品，以利于保存，冲洗不足也会造成日久以后影像变色或衰退。

2.光谱感光板的感光特性

光谱感光板的特性可以由特性曲线（Slg H）表示出来，或者由感光速度、反差等量来表示。

1）特性曲线

（1）曝光量。光谱感光板受光作用的大小，不但与照射在它上面的光的强（照）度A的强弱有关，而且与曝光所经历的时间t的长短有关。我们用“曝光量”来描述光谱感光板受光作用的大小。因此曝光量的定义为

H=A·t（1）

式（1）表明，在一定的照度A下，改变曝光时间可以得到不同的曝光量H。

（2）光谱感光板的光学密度。光谱感光板受到不同曝光量作用的部分在显、定影后表现出不同的透明程度。透明程度的大小和乳胶层中被还原的黑色晶粒的多少有关，黑色晶粒越密，则光谱感光板的透明度就越小。

光谱感光板的透明程度可用“透射率”表示。假设有一束光，强度为I0，经光谱感光板透射后强度为I1，则透射率T的定义为

但是，在照相感光学中用来说明光谱感光板透射情况的不是透射率，而是光谱感光板的“光学密度”（简称为“密度”或“黑度”），光学密度S的定义为

（3）光谱感光板密度与曝光量的关系——光谱感光板的特性曲线。在感光学中，光谱感光板的密度和它的曝光量的关系常用密度与曝光量的对数的关系曲线来表示，为了确定这一关系曲线，必须在被测光谱感光板的不同部位给予不同的曝光。经显、定影后就可以得到一系列不同密度的影像。它们的密度值可用测微光度计（又名黑度计）测定。如果与不同密度相对应的诸曝光量为已知时，密度和曝光量的关系曲线就很容易确定。曲线形状如图1所示。这一曲线又称S lg H曲线。

图1 感光板的特性曲线

Slg H曲线可分为4部分。AB部分表示密度的增加比曝光量的增加要慢得多，这部分称为“曝光不足”。也就是说，被拍照的物体各部分明暗差别很大，但在光谱感光板上的像的各部分明暗差别不大。这是曝光量过小的情况。第二部分BC大致是条直线，表示密度与曝光量的对数成正比。这是正常曝光区域，也就是我们在一般情况下所利用的区域。第三部分CD的特点与AB相类似，但密度都较大。因属于曝光量过大的区域，所以称为“曝光过度”。最后部分DE的情况与前面恰恰相反，曝光量越大的反而密度越小，这称为“负感现象”。在通常情况下，曝光量达不到如此程度，因此它没有什么实际意义。

曲线左端水平部分表示不使光谱感光板曝光而光谱感光板就具有一定的密度，它称为“灰雾密度”D′。曲线的直线部分延长线与横轴的交点称为惰性点，对应的曝光量Hi称为惰延量。一般用它来反映光谱感光板的灵敏度（即最小的曝光量），而将直线段BC在横轴上的投影范围叫做光谱感光板的展度，以反映感光适用的曝光范围。

2）反差

在特性曲线的直线部分上，光谱感光板的密度和它所接受的曝光量的对数成比例。其两点间的密度差与曝光量对数值的差的比值叫做光谱感光板的反差γ。即

式中，ΔS为密度差，Δ（lg H）为相应的曝光量对数值的差。当坐标轴选取的单位长度相同时，γ值等于曲线的直线部分的斜率:

γ=tanα

γ值表现出在一定的曝光量的差别情况下，光谱感光板上影像的明暗对比的差别大小。当γ值越大时，影像的明暗差别越大，反之就小。

在通常情况下，物体的亮度按等比级数增加时，视觉感觉到的物体的亮度（心理亮度）的改变只按等差级数增加。当实际亮度增加到10倍时，视觉的心理亮度增加一倍。因此，当γ=1时，光谱感光板上的影像的明暗对比与视觉感觉到的原物体的明暗对比相同。当γ＜1时，光谱感光板影像的明暗差别比原物的心理亮度对比弱一些；当γ＞1时，则比原物的心理亮度对比强些。因此，使光谱感光板得到恰当的反差值（γ=1）是有重要意义的。

光谱感光板的反差不仅与其本身的特性有关，而且还与显影条件有关。如显影液的配方，显影时的温度和显影时间的长短等都将影响感光板的反差值。因此选择不同的显影液配方，改变显影液的温度或改变显影时间均能对反差起到控制的作用。

由式（4）与图1还可以得到，在正常曝光情况下，曝光量和光谱感光板的密度之间的关系为

S=γ（lg H-lg Hi）（5）

3）感光速度

感光速度是表示光谱感光板性能的重要标志，它表示出了对光的作用的敏感程度。如曝光量较小即可得到较大的密度时，则光谱感光板较敏感，亦即感光速度较大。而表示感光速度大小的数值有各种规定方法，我国目前采用DIN制。

4）光谱灵敏度

溴化银乳胶的固有感光范围是在光谱的紫蓝色区，当加入某种增感剂时，其感光可扩大到绿色区，这种乳胶称之为“正色性乳胶”。如果利用增感剂能使光谱感光板的感光扩展到红色区，则乳胶对整个可见光谱区都能感光，称之为“全色性乳胶”。

不同的感色性能，适用于不同的技术要求。如我们使用的光谱感光板，就有紫外型、蓝快型、蓝硬型、蓝特硬型、黄快型、红特硬和红快型等。有时由于光谱感光板生产厂家的生产技术不同，虽然感色型号相同，它们的实际光谱灵敏度也可能不同。因此在很多科学技术照相中，常常需要知道光谱感光板的光谱灵敏度。

为了确定光谱感光板的光谱灵敏度，通常是在摄谱仪狭缝的前面放置一个中性的光楔或阶梯减光板，则在摄谱仪中光谱感光板的不同光谱区域得到不同程度的阶梯感光。对感光板不同光谱区（如对红光、绿光和蓝光3个光谱区）可作出不同的特性曲线，这种曲线称之为“感色灵敏度曲线”。它是以光谱感光板的密度S为纵轴，以相对曝光量的对数lg H为横轴作出的曲线。如图2所示。

图2 感色灵敏度曲线

3.感光特性曲线的制作

由于各种光谱感光板的性质、保存的时间、显影、定影过程均不同。光谱感光板的特性又随波长而变，各个波段又有各自的感光特性曲线。使用光谱感光板时，常常需要光谱感光板在使用波长的γ值、正常曝光范围等参数，故制作感光特性曲线是科研生产中经常遇到的工作。

如图1所示，感光特性曲线的横轴涉及曝光量H，而H由光强I及曝光时间t两者决定，故特性曲线的制作方法分为两类:一类是固定曝光时间改变光强的方法，另一类是保持光强度不变而改变曝光时间的方法。前者称为强度标法，后者称为时间标法。

1）改变光强度制作感光特性曲线

在实际工作中通常用阶梯减光板法和谱线组法。本实验仅介绍阶梯减光板法。

阶梯减光板是用一块薄水晶片，在片上不同部位沉积密度不同的铂层，这是用真空镀膜将铂蒸发而喷涂上去的。由于各部位铂层的密度不同而形成透射率不同的所谓阶梯。有三阶梯、六阶梯、九阶梯等，其中用九阶梯减光板制作感光特性曲线最为方便。本实验所用的即为九阶梯减光板，其中间有七阶喷涂有不同密度的铂层，其余上下两个阶没有铂层，即透过率为100% （见表1），是用以检查减光板照明均匀程度的。减光板装在摄谱仪狭缝前的光阑板上，摄谱时按实验室所给条件拍出中间不同强度的七阶感光板，即可根据其相应黑度绘出Slg H特性曲线。

表1 九阶梯减光板各阶透射率

2）改变曝光时间制作感光特性曲线

改变曝光时间制作感光特性曲线通常采用移动摄谱仪暗箱法，在一张光谱感光板上，按不同时间拍摄一系列谱线，则选某一波长的谱线，测出它相应的黑度，即可作出光强不变的Slgt曲线。

二、测微光度计使用方法简要说明

测微光度计是一种精密仪器，使用前必须经过相应的调节过程，为保证适应较多用途和测量的精度与方便，仪器装置上有相当多的调节机构。在本实验中不可能也不必掌握全部调节机构，故只将测量中最主要的调节过程和要求扼要概述如下，学生课前应清楚地了解调节要求和原理，至于具体操作细节，在仔细预习的基础上可以在课堂上由教师指导进行。

1.工作原理和基本结构

光源发出的光线，经过待测谱板射到屏幕，屏幕中央有一狭缝，光射入狭缝后落在光电池上。光电池的光生电动势使电流计偏转，可以从偏转大小指示出待测谱板的黑度。

仪器的结构如图3所示。1是光源，由稳压电源供电，经过一系列聚光系统后由聚光镜2聚在待测感光板3上，然后由投影镜4把照亮的感光板成像在屏幕5上。屏幕中央有一狭缝6，它的缝宽、缝高和缝的方位都可调节。光射入狭缝后经过一个光闸7，它可以控制使光线全部通过或全部不通过。然后又经过两个减光板8，9，可以按所需比例减弱光线强度。8可以连续精细调节，9只能分段粗调。最后光射到光电池10上，光电池和电流计相连。电流计的小镜11的偏转读数是用一套光学系统反射并成像在屏幕12上的。电流计的机械零点可以调节，标尺有3个，可以根据需要使用。本实验选用S标尺。

图3 测微光度计结构示意图

1-光源 2-聚光镜 3-光谱感光板 4-投影镜 5-屏幕 6-狭缝 7-光闸 8-减光板（细调） 9-减光板（粗调） 10-光电池 11-电流计小镜 12-屏幕

此外为减少杂散光射入狭缝，还有一个遮光滤光片，装在光源附近，它由聚光镜成像在感光板上，再由投影镜（和谱线同时）成像在屏幕上，使得只有透过待测部分的光线才能射入狭缝，其余部分被滤光片大大减弱，而不致因漫射而射入狭缝。

测量时感光板是放在感光板台上的，感光板台可前后左右移动。前后移动只能粗调，左右移动既可粗调也可细调，并且可以读数。

2.调节要求和测量方法

（1）检查仪器上的水准泡是否在中央（通常已由实验室调好）。

（2）调节聚光镜和投影镜。要求谱板清晰地成像在屏幕上，同时还要求遮光滤光片也清晰地成像在屏幕上。调节时，先将感光板固定在台上，点亮光源，然后再调投影镜4使谱板清晰成像，再调聚光镜2使遮光滤光片成像清晰。

（3）调节谱板平台。要求①无论平台怎样左右前后移动（即光线通过感光板的不同部分），始终保持谱板成像清晰。②平台左右移动时，谱线在屏上的像不会因左右移动而发生上下移动。对于①，成像不清的原因是感光板到投影镜的距离随着平台的移动而改变；对于②，是由于谱板在台上没有放正。为此，平台可以从3个方向调节，平台的一个角是固定的，另外3个角都由调节螺丝支承。因而它可以分别以X，Y，Z3个轴作微小的转动，以满足①，②的要求。通过一定的顺序反复检验和调节，直到满足上述两点要求为止。

（4）调节零点。光闸7关闭时黑度S的读数应为最大。若光线是通过没有谱线的地方（如在两谱线之间）时，读数应为黑度S=0。调节零点可按以下方法进行:先将谱板移动到待测谱线附近的空白处对准狭缝，开启光闸7，逐渐加大缝高（不超过谱线的2/3）和缝宽（缝宽是根据谱板拍摄情况而确定的），同时调节减光板9，调节时注意标尺读数的变化，直到黑度读数接近S=0，然后再细调减光板8，使黑度读数为零。

（5）狭缝和遮光滤光片方位的调节。要求狭缝和谱线的像平行，滤光片的边缘也和谱线平行。

（6）测量谱线黑度。要求测出读数最大部分的黑度（即测出谱线的最黑部分）。测时令谱线中心几乎与缝重合，但稍有偏离。用细调螺旋逐步微微移动谱板，读出最大黑度，作为测量数据。

（7）在测九阶减光板和用阶梯扇板拍摄的谱板黑度时，应注意选择每阶层的同一位置，最好是靠近每阶层谱线的中间位置。不要有的测中间黑度，有的测边缘黑度。

3.仪器的维护与注意事项

（1）测微光度计是精密仪器，须仔细维护，一切调节、操作必须轻而慢。注意保持各个部分的清洁，特别是光学元件不得污损。

（2）谱板的黑度变化范围很大，有时光太强会使电流计过载而损坏。为此在调节时必须先将减光板8，9放在光线衰减最强（黑度最大，但8，9的刻度为最小），缝高也放在最小，以保证不至于太强。使用完毕必须将光闸7关闭。

4.氢氘灯中氢和氘含量比的测量原理

在光谱定量分析中，一般采用内标法，设被测的元素含量为C，与之对应的谱线强度为I，则谱线强度I和元素含量C的关系为

I=a Cb（6）

式中，b为自吸系数，当元素含量不太高时，b≈1（无自吸）。而a是与激发光源的性能、蒸发条件有关的常量。

如果我们在同一条件下拍摄了氢—氘的巴尔末线系中的α谱线，设氢和氘的含量各为CH和CD，则氢的谱线强度IH为

而氘的谱线强度ID为

而根据上述的光谱感光板特性曲线图1和式（5）可知，光谱谱线在光谱感光板上感光后产生的黑度S与反差γ和曝光量H有关，而H=A·t，A为谱线的照度，即为谱线强度I（A=I），所以式（5）可改写为

上式中Hi为常量。拍摄氢—氘的α谱线时曝光时间t相同，在光谱感光板上氢谱线的黑度SH为

而氘谱线的黑度SD为

氢一氘谱线的黑度差ΔS为

所以，在同一光谱感光板上以相同的曝光时间t，拍摄α的氢—氘谱线，然后利用感光板的特性曲线得到γ值，并用测微光度计测出两谱线的黑度差ΔS，即可得氢—氘的含量比为

三、实验内容和步骤

（1）利用平面光栅摄谱仪，在同一光谱感光板上拍摄氢的巴尔末线系中的α谱线（或者铁谱中波长为6495Å的谱线），要求采用上述改变曝光时间的时间标方法，选定5次不同的曝光时间，其他摄谱条件也需自行确定好，并操作摄谱仪进行摄谱。

（2）利用平面光栅摄谱仪，在同一光谱感光板上再拍摄氢氘灯的巴尔末线系中α谱线，自行确定好摄谱条件，并操作摄谱仪进行摄谱，最后将光谱感光板送暗室显影、定影和冲洗、吹干。

（3）熟悉并掌握测微光度计的使用方法:将所拍摄好的谱板放在光度计的测试台上，在光屏幕上狭缝完全关闭的情况下，调节光度计，使屏幕上的谱线清晰。谱板横向、纵向移动时，投影在光屏上的谱线不变形并同步保持横向、纵向移动。再调节光度计（此时屏幕上狭缝打开）使光通过感光板上未曝光部分时使黑度S读数为零。最后分别测量待测谱线的黑度。

四、实验数据处理

利用实验测量所得的5组S和t的数据，建立Slgt的坐标系，用最小二乘法原理对实验数据进行线性拟合求出反差γ，并计算反差γ的误差及相关系数。然后再利用氢、氘的黑度SH和SD计算氢氘含量比CH/CD，并计算其误差。