氢与氘原子光谱实验

氢与氘原子光谱实验普通物理(近代物理)实验背景简介光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱的测量结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素——氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原理论可靠性的标准和测量其它基本物理常数的依据。氢与氘原子光谱实验实验目的实验仪器思考问题实验原理实验内容数据处理注意事项实验目的1.了解光栅光谱仪的工作原理，掌握其使用用法；2.用光栅光谱仪测量氢（氘）原子光谱巴尔末线系的波长，求里德伯常数。实验仪器图1光栅光谱仪系统组成1.光谱仪主机2.控制箱3.光源4.光电倍增管5.计算机12345GM1M2M3M4S1S2S3S*图2光栅光谱仪内部光路S—光源；G—闪耀光栅；S1—狭缝，光线由此入射；M1—平面镜，改变光线方向；M2—凹面反射镜，具有会聚和准值作用，光线经M2入射到光栅G上；M3—凹面反射镜，具有会聚和准值作用，衍射光经M3入射到M4上；M4—平面反射镜，经会聚的衍射光线改变方向，可在S2狭缝观察到衍射光；S3—出射光狭缝，移去平面镜M4,衍射光线直接会聚在S3外侧放置的光电倍增管上。图3玻尔描述的氢原子光谱实验原理图4氢原子光谱与电子跃迁一、闪耀光栅工作原理：图5闪耀光栅工作原理0m1m1ma.平面光栅0m1m2mb.闪耀光栅,2,1,0,sinsinkkd二、氢（氘）原子光谱：氢（氘）原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式为：式中为氢原子谱线在真空中的波长，H364.56Bnm3,4,5n可见光区域氢光谱谱线称为巴尔末线系，其分布规律为：221112HRn（）2:24HnBn是实验常数，称为里德伯(Rydberg)常数。HR由上式确定的氢谱线为巴尔末线系，当n＝3，4，5，6时，所得的谱线分别标记为、、、。HHHH根据波尔理论，可得出氢和类氢原子的里德伯常数为：24444223300224411zRezezmRmmhchcMM其中：M为原子核质量，m为电子质量，e为电子电荷，C为光速，h为普朗克常数，0为真空介电常数，z为原子序数。当M时，可得里德伯常数为：24423024mezRhc它的公认值为：110973731.568549Rm。应用到氢和氘为：1HHRRmM1DDRRmM实验内容３.测量氢（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。保存谱图，计算各谱线的里德伯常数，然后求出平均值。４.计算普适里德伯常数，并与推荐值比较，求相对误差。图7汞光谱线参考波长１.熟悉WGD-3型多功能光栅光谱仪的结构、工作原理及软件操作系统。２.按如图6软件操作界面，用汞灯对光栅光谱仪进行定标，保存定标前后的谱图。图6光谱仪汞灯校准谱线图6氢原子光谱线α656.11nmβ486.01nmγ433.93nmδ410.062nm数据处理1.测量氢（氘）原子光谱线；2.求里德堡常数。谱线参考波长波长测量值RH值α656.11nmβ486.01nmγ433.93nmδ410.062nmchzmeR32044242注意事项1.狭缝不得开得过大或关死；2.汞灯校准后换氢灯测量要注意缝宽的调节和负高压、增益的调节；3.关闭光谱仪电源时应先删除USB接口。思考问题1.做汞灯校准和测量氢原子线系波长时，有时只在扫描窗口上边缘或下边缘出现一条直线？请说明原因。2.真空中波长和在空气中的波长有何关系？实验结果应作怎样修正？3.仪器中的主要分光器件是什么,如果检出不同波长的光？