CN102103085B - 荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法 - Google Patents

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Abstract

一种荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法，方法步骤为：步骤一、实现该方法的装置包括：激发光源、具有热耦合能级的荧光材料、温控元件、发热元件、色散元件、探测模块、数据处理模块；步骤二、调节激发光源的激发光波长至荧光材料的热耦合能级均参与辐射跃迁，测量和记录特定温度下荧光材料的发射光谱，并计算热耦合能级参与跃迁的两条谱线的荧光发射强度比值R；步骤三、即可拟合计算出R~T关系中包含在系数里的玻尔兹曼常数。本发明的技术效果是：本测量方法使用的实验组件较常见且维护成本低，操作简便，重复性好，不易老化，可以用于工业工程的温度校准、近代物理教学实验等方面。

Description

荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法
技术领域
本发明涉及一种测量玻尔兹曼常数的方法，尤其涉及一种荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法。
背景技术
 玻尔兹曼常数kB是热力学温度(开尔文，K)与能量的转换因子，是玻尔兹曼统计理论以及近代物理学微观领域中的一个十分重要的常数，是反应物质世界不连续特性的重要标志之一。因此准确测定玻尔兹曼常数、用玻尔兹曼常数直接导出热力学温度单位的工作在工业上温度标定和实验教学方面意义重大。
玻尔兹曼常数的测量方法主要有噪声测温法、多普勒线展宽测温法、介电常数气体测温法及声波气体测温法等几种。还有其它一些方法，测量过程简便或者实验设备简单易得，包括利用PN结的伏安特性、布朗运动的摄影观测等，一些已经被用于教学实验。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法，通过测量荧光材料在不同温度时的光谱，结合热激发状态下粒子分布符合的玻尔兹曼分布规律，对依赖于温度的光谱数据进行分析、计算，从而得到k B 的数值；本发明将玻尔兹曼常数与普朗克常数以及真空中的光速这些常数联系了起来，使得测量精度大大提高。
本发明是这样来实现的，方法步骤为：
步骤一、实现该方法的装置包括：激发光源、具有热耦合能级的荧光材料、温控元件、发热元件、色散元件、探测模块、数据处理模块,激发光源的激发光束照射荧光材料，荧光材料在温控元件控制的发热元件表面，荧光材料的反射光路上设有色散元件，色散元件的单色光光路上设有探测模块，探测模块连接数据处理模块；
步骤二、调节激发光源的激发光波长至荧光材料的热耦合能级均参与辐射跃迁，测量和记录特定温度下荧光材料的发射光谱，并计算热耦合能级参与跃迁的两条谱线的荧光发射强度比值R，具体步骤如下：
步骤2-1.通过调节温控元件使发热元件在200K到900K温度范围内，设置荧光材料温度T；
步骤2-2.用色散元件分解荧光材料的发射光，探测模块记录不同波长的发射强度，送数据处理模块变换、输出和显示，得到步骤2-1所述温度下荧光材料的发射光谱；
步骤2-3.从步骤2-2所测得的荧光材料的发射光谱中选取两条谱线，这两条谱线分别来源于荧光材料中两个热耦合能级各自参与的跃迁，计算两条谱线的强度比R，由于处于这两个能态的粒子布居符合玻尔兹曼分布，而粒子布居数N1、N2决定了两条谱线各自的荧光强度，因此强度比R的计算式中包含了玻尔兹曼常数：
式中，E 21 为热耦合能级j(j=1,2)之间的能量差；k B 为玻尔兹曼常数，C1是仅与荧光材料有关的常数；
步骤三、调节温控元件，重新设置荧光材料温度T，并重复步骤二，得到不同温度下所选的两条谱线的荧光发射强度比值，由步骤2-3中所得R~T关系，即可拟合计算出R~T关系中包含在系数里的玻尔兹曼常数。
本发明的实质是利用热平衡状态下，在发光材料的两个热耦合的能态上粒子的布居符合玻尔兹曼分布。将激发光源、荧光材料、发热元件、温度控制元件、色散元件、探测模块和数据处理模块组合起来构成荧光光谱测量和数据处理系统，测量具有两个热耦合能级的荧光材料的变温荧光光谱。
本发明中所使用的荧光材料具有两个热耦合能级，而且其荧光光谱有来源于这两个热耦合能级和第三个能级之间的辐射跃迁。荧光材料的具体形态可以是多晶，单晶，混合物等。
本发明的技术效果是：给出了玻尔兹曼数与其它常数（普朗克常数、真空中的光速）的直接数值关系，揭示了温度单位与频率（时间）单位的内在联系，为玻尔兹曼常数准确测定和用玻尔兹曼常数直接导出热力学温度单位的工作提供了一种研究方向。本测量方法使用的实验组件较常见且维护成本低，操作简便，重复性好，不易老化，可以用于工业工程的温度校准、近代物理教学实验等方面。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
在图中，1、激发光源 2、荧光材料 3、发热元件 4、温控元件 5、色散元件 6、探测模块 7、数据处理模块。
具体实施方式
如图1所示，本发明技术内容部分描述了一种利用荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法。该方法为了分析和计算的方便，其中所搭建的测试系统是在常见的光栅光谱仪上实现的。以一种具有热耦合能级的荧光材料Y2O3:Er为例，具体描述如下：
如图1所示。实现该方法的装置包括激发光源1、荧光材料2、发热元件3、温控元件4、色散元件5、探测模块6、数据处理模块7，光谱测量装置激发光源1的激发光束照射荧光材料2，荧光材料2在温控元件4控制的发热元件3的表面，荧光材料2的反射光路上设有色散元件5，色散元件5的单色光光路上设有探测模块6，探测模块6连接数据处理模块7，在测量范围内，激发光源1发出激发光，使荧光材料2发射荧光，荧光被色散元件5单色化，不同波长的单色光沿不同出射角度方向进入探测模块6，探测模块6包含两个结构和功能相同的探测电路，它们对应单色光出射方向被布置在不同的位置，分别对应接收两个特定波长的荧光，将其转换为电信号，传输至数据处理模块7。数据处理模块7对电信号进行除法运算得到荧光强度比，数字化后输出；或者直接转换为两个表头上的指针偏移量，人工记录数据。在若干个不同温度下作同样测量，即可拟合计算玻尔兹曼常数；具体过程如下（以荧光材料Y2O3:Er为例）：
调节温控元件4，在室温到400K温度范围内改变荧光材料的温度T。
选用波长为980nm的激发光激发荧光材料，则在发射光谱上热耦合能级2I11/2与4S3/2均有辐射跃迁的谱线。
测量并记录不同温度下Y2O3:Er的发射光谱。发射光谱中选取两个来源于2I11/2 -  4I15/2以及4S3/2 - 4I15/2跃迁的谱线，这两条谱线涉及的2I11/2及4S3/2能级是热耦合的能级。计算不同温度下两条谱线的强度比R，由于处于这两个能态的粒子布居符合玻尔兹曼分布：
而所选谱线强度
其中，A ij为自发辐射跃迁几率；v ij为辐射光的频率；N i为定态时i能态的粒子布居数。变温条件下，除了N i都是定值。综合以上两式，可得
Figure 2011100328760100002DEST_PATH_IMAGE004
其中C 1 是仅与荧光材料有关的常数。根据不同温度下测量的荧光发射强度比值R，作出lnR~T-1关系，该关系的斜率就是-E 21 / k B 。热耦合能级的能级差E 21 是常数，可以从发射光谱图上所选谱线的位置计算出来，用谱线波长表示E 21 时会引入普朗克常数及真空光速。因此，玻尔兹曼常数k B 就可以利用实验拟合的斜率和2I11/2、4S3/2能级差E 21 求出。
其它具备热耦合能级的典型材料还有：Eu3+掺杂荧光物质、Yb3+掺杂荧光物质、各种热释光材料和红外释光材料等。

Claims (1)

1.一种荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法，其特征是方法步骤为：
步骤一、实现该方法的装置包括：激发光源、具有热耦合能级的荧光材料、温控元件、发热元件、色散元件、探测模块、数据处理模块,激发光源的激发光束照射荧光材料，荧光材料在温控元件控制的发热元件表面，荧光材料的反射光路上设有色散元件，色散元件的单色光光路上设有探测模块，探测模块连接数据处理模块；
步骤二、调节激发光源的激发光波长至荧光材料的热耦合能级均参与辐射跃迁，测量和记录特定温度下荧光材料的发射光谱，并计算热耦合能级参与跃迁的两条谱线的荧光发射强度比值R，具体步骤如下：
步骤2-1.通过调节温控元件使发热元件在200K到900K温度范围内，设置荧光材料温度T；
步骤2-2.用色散元件分解荧光材料的发射光，探测模块记录不同波长的发射强度，送数据处理模块变换、输出和显示，得到步骤2-1所述温度下荧光材料的发射光谱；
步骤2-3.从步骤2-2所测得的荧光材料的发射光谱中选取两条谱线，这两条谱线分别来源于荧光材料中两个热耦合能级各自参与的跃迁，计算两条谱线的强度比R，由于处于这两个能态的粒子布居符合玻尔兹曼分布，而粒子布居数N1、N2决定了两条谱线各自的荧光强度，因此强度比R的计算式中包含了玻尔兹曼常数：
式中，E 21 为热耦合能级j之间的能量差，其中j=1,2；k B 为玻尔兹曼常数，C1是仅与荧光材料有关的常数；
步骤三、调节温控元件，重新设置荧光材料温度T，并重复步骤二，得到不同温度下所选的两条谱线的荧光发射强度比值，由步骤2-3中所得R~T关系，即可拟合计算出R~T关系中包含在系数里的玻尔兹曼常数。
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