氢原子光谱实验

2009-8-301氢原子光谱实验2009-8-302一、实验原理1.氢原子光谱的实验现象光谱仪观察某些星体的光谱或分析氢放电管的光谱，在可见光的区域内得到巴耳末系,内有四条最亮的谱线，分别称为Hα、Hβ、Hγ、Hδ。谱线HαHβHγHδ波长nm656.279486.133434.046410.173颜色红深绿青紫λnm0.1810.1360.1210.116HHHHH2009-8-3032.巴耳末用经验公式1885年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前四条可见光谱：,5,4,3,nm256.364222nnn422nnBλ,5,4,3nB=364.56为一经验常数.2009-8-3043.里德伯公式:里德伯将此式改写成用波数表示的形式.22~1211nRH4.里兹并合原理：里德伯.里兹发现碱金属光谱有类似的规律.)()(1122~nTmTnmRHT称为光谱项，其中m=1，2，3，……，对于每一个m，n=m+1，m+2，……，构成一个谱线系。1581.109677cmRH2009-8-3052220421142n)Mm(h)πε(meπEn其中h为普朗克常数，e、m、M、n分别为电子电荷，电子质量，氢原子核质量，主量子数。当n一定时，原子具有一定的能态，处于一定的能级。当电子从一个能态跃迁到另一个能态时，如由主量子数为n2的En2能态跃迁到主量子数为n1的En1能态时伴随着发射和吸收一个能量子为En2-En1的光量子,用波数表示:5.玻尔理论:原子中的电子只能在一系列确定的轨道上运动，它的半径、角动量、能量都是量子化的，这些允许分立的状态的能量为：2009-8-306里德伯常数:)11()11()1()4(2222122213204212~nnRnnMmchmehEEHnn)Mm(ch)πε(meπRH142320422009-8-307如果视原子核质量为无穷大（设原子核不动），则里德伯常数为：RH可以表示成：3204242ch)πε(meπRMmRRH1)Mm(ch)πε(meπRH142320422009-8-308对不同元素或同一元素的不同同位素，M的值不等，故R亦不同。如果氢原子同位素存在，则它的巴尔末系各条谱线的波数与氢的巴尔末系的相应谱线的波数应是有区别的。反映在谱线上，就应该是核质量大的谱线向波数增大的方向发生位移，称为同位素效应。但是又从式可以看出，由于两者质量相差不大，所以对光谱线的影响很小，两者的相应谱线的波数相差不大，因此光谱上将形成的将是很难分开的双线或多重线。1932年尤莱（H.C.Urey）、布里克威得（F.G.Brickwedde）发现氢的巴尔末系各条谱线都是双线，这是氢有两种同位素存在的重要实验证据，若能算出两者的核质量比，则可判定这两种同位素就是氢和氘。*6.同位素效应2009-8-309通过对H和D的巴尔末系各条谱线所测得的波数值及与之相应的H的质量MH和D的质量MD一起代入上式后可以求出各自的里德伯常数。22~121nRDD22~121nRHH根据巴尔末公式:2009-8-30101HHRRmM1DDRRmMDHHDMmMmRR1111/?(/)DDHHHDHMRRMMRRm)(HDHDHHHDMmMmMM1527.1836/1HMm式中是已知值。注意，式中各是指真空中的波长。2009-8-3011二、实验的目的：1.测量氢原子光谱中巴尔末线系的几条谱线的波长。2.测量计算各谱线的里德伯常数RH，并求其平均值或用线性拟和的方法求出RH。计算氢、氘原子核的质量之比。3.学习多功能组合光谱仪的使用。2009-8-3012三、实验仪器设备的介绍1.实验仪器的组成1)WGD-8A多功能光栅光谱仪:由光栅单色仪，接受单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，摄谱仪的接收分为光电倍增管和CCD两个系统，可用于信息的线性采集和实时采集，2)待测光源,定标用光源,计算机,打印机等.参看图.光谱仪光源光源电源光电倍增管USB控制器2009-8-30132.WGD-8A型光栅光谱仪原理1)光谱仪光路光谱仪的入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0—2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经反射镜M3成像在S2上或S3上，之后送入计算机进行分析。2009-8-3014d2)反射式闪耀光栅光谱仪中长使用反射式闪耀光栅玻璃板、镀铝、刻槽入射角-反射角-(sinsin)dk光栅方程为了对光谱进行扫描，将光栅安装在转盘上，转盘由电极驱动，转动转盘，可以改变入射角，改变波长范围，实现较大波长范围的扫描2009-8-3015四、实验内容1.测量氢原子光谱中巴尔末线系的几条谱线的波长，并将在空气中的波长修正为真空中的波长。2.测量计算各谱线的里德伯常数RH，并求其平均或用线性拟和的方法求出RH。3.计算里德伯常数，并与推荐值[1986年国际激光光谱学会议上发表并推荐的里德伯常数的量值：=(10973731.534±0.012）m-1]比较，求出相对不确定度。2009-8-3016五、实验的步骤1．准备将转换开关（机箱后板）置“光电倍增管”挡（本实验用光电倍增管接收），接通电箱电源，将电压调至400~500V。根据光源等实际情况，调节、、狭缝。顺时针旋转狭缝增大，反之减小。旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为保护狭缝，最大不超过2.5mm，也不要使狭缝刀口相接触。调节使动作要轻。打开电脑，点击WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪控制处理软件，选择光电倍增管。初始化。屏幕显示工作界面，弹出对话框，让用户确认当前的波长位置是否有效、是否重新初始化。如果选择确定，则确认当前的波长位置，不再初始化；如果选择取消，则初始化，波长位置回到200nm处。熟悉界面。工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及寄存器信息提示区等组成。菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数字”、“数据图形处理”、“关于”等菜单项，与一般的Windows应用程序类似。2009-8-3017标题栏菜单栏工具栏存储器选择及波长显示区工作区2009-8-30182、参数设置。工作方式。模式：所采集的数据格式，有能量、透过率、吸光度、基线。测光谱时选择能量。间隔：两个数据点间的最小波长间隔，根据需要在0.01~1.00nm之间选择。工作范围。在起始、终止波长（200~660nm）和最大、最小值4个编辑框中输入相应的值，已确定扫描时的范围。负高压：设置提供给倍增管的负高压大小，设1~8共8档。增益：设置放大器的放大率。设1~8档。采集次数。在每个数据点，采集数据区平均的次数。拖动滑块，可在1~1000次之间改变。在参数设置区中，选择“数据”项，在“寄存器”下拉列表框中选择某一寄存器，在数据框中显示该寄存器的数据。参数设置区中，“系统”、“高级”两个选项，一般不用改动。2009-8-30193、波长定标（1）取下氘灯，把汞灯置于狭缝1前，使光均匀照亮狭缝。（2）用鼠标点击新建，再点击单程进行扫描，工作区内显示汞灯谱线图。（3）下拉菜单“读取数据”—“寻峰”—“自动寻峰”，在对话框中选择好寄存器，进行寻峰，读出波长，与汞灯已知谱线（附后）波长进行比较。（4）下拉菜单“工作”—“检索”，在对话框中输入需校准的波长值，当提示框自动消失时，波长被校准。4、氢（氘）原子光谱的测量（1）将光源换成氢（氘）灯，测量氢（氘）光谱的谱线。注意：换灯前，先关闭原来的光源，选择待测光源，再开启光源。（2）进行单程扫描，获得氢（氘）光谱的谱线，通过“寻峰”求出巴尔末线系前3~4条谱线的波长。注意：在单程扫描过程中发现峰值超过最大值，可点击“停止”。然后寻找最高峰对应的波长，进行定波长扫描。同时调节狭缝，将峰值调到合适位置。然后将波长范围设置成200~660nm，再单程扫描。扫描完毕，保存文件。2009-8-3020六、实验的数据处理一、测量得到的氢氘谱线图2009-8-3021二、数据表格谱线HαHβHγHδ波长/nm656.279486.133434.046410.173颜色红深绿青紫δλ/nm0.1810.1360.1210.116三、数据的处理2009-8-3022课堂讨论题1.测量中对出射和入射狭缝的宽度有什麽要求？2.光源的位置不同会对谱图有什麽影响？3.测量到的谱线都有一定的宽度是什麽原因？2009-8-3023谢谢大家!