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1、氢原子光谱实验,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H、H、H、H。,2.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：,B=364.56 为一经验常数.,3.里德伯公式:里德伯将此式改写成用波数 表示的形式.,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.,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。,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
2、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：,里德伯常数:,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：,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
3、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,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。,根据巴尔末公式:,二、实验的
4、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。,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.,光栅光谱仪,2. 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02mm连续
5、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。,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,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,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
6、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： =(10 973 731.5340.012）m-1比较，求出相对不确定度。,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400500V。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
7、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。,标题栏,菜单栏,工具栏,存储器选择 及波长显示区,工作区,2、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
8、，根据需要在0.011.00nm之间选择。 工作范围。在起始、终止波长（200660nm）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18共8档。增益：设置放大器的放大率。设18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11000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。,3、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
9、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34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200660nm，再单程扫描。扫描完毕，保存文件。,六、实验的数据处理,一、测量得到的氢氘谱线图,二、数据表格,三、数据的处理,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？,谢谢大家!,