實驗二十八小型棱鏡攝譜儀的使用

1、實驗二十八 小型棱鏡攝譜儀的使用實驗內(nèi)容 1了解攝譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法，學習小型攝譜儀的定標方法。2觀察物質(zhì)的發(fā)射光譜，測定氫原子光譜線的波長，驗證原子光譜的規(guī)律性，測定氫原子光譜的里德堡常數(shù)。教學要求 1進一步認識原子輻射的微觀機理，學習借助分析原子光譜的規(guī)律性研究微觀世界的方法。 2學習物理量的比較測量方法。實驗器材 小型攝譜儀、汞燈及鎮(zhèn)流器、氫燈及電源、調(diào)壓變壓器。 任何一種原子受到激發(fā)后，當由高能級躍遷到低能級時，將輻射出一定能量的光子，光子的波長為，由能級間的能量差決定： 式中，為普朗克常數(shù)，c為光速。不同，也不同。同一種原子所輻射的不同波長的光，經(jīng)色散后按一定程序排列而成的光

2、譜，稱發(fā)射光譜。 不同元素的原子結(jié)構(gòu)是不相同的，因而受激發(fā)后所輻射的光波具有不同的波長，也就是有不同的發(fā)射光譜。通過對發(fā)射光譜的測量和分析，可確定物質(zhì)的元素成分，這種分析方法稱為光譜分析。通過光譜分析，不僅可以定性地分析物質(zhì)的組成，還可以定量地確定待測物質(zhì)所含各種元素的多少。發(fā)射光譜分析常用攝譜儀進行。 小型棱鏡攝譜儀，是以棱鏡作為色散系統(tǒng)，觀察或拍攝物質(zhì)的發(fā)射光譜。實驗原理 1氫原子光譜的規(guī)律 1885瑞士物理學家巴爾末發(fā)現(xiàn)，氫原子發(fā)射的光譜，在可見光區(qū)域內(nèi)，遵循一定的規(guī)律，譜線的波長滿足巴爾末公式： （28-1）式中，n=3，4，5，組成一個譜線系，稱為巴爾末線系。用波數(shù)（）表示的巴爾末公

3、式為： n=3，4，5 （28-2）式（28-2）中，稱為氫原子光譜的里德堡常數(shù)。 用攝譜儀測出巴爾末線系各譜線的波長后，就可由式（28-2）算出里德堡常數(shù)，若與公認值=1.096776相比，在一定誤差范圍內(nèi)，就能驗證巴爾末公式和氫原子光譜的規(guī)律。2譜線波長的測量先用一組已知波長的光譜線做標準，測出它們移動到讀數(shù)標記位置處時螺旋刻度尺的讀數(shù)后，以為橫坐標，為縱坐標，作定標曲線。對于待測光譜波長的光源只要記下它各條譜線所對應的螺旋尺上讀數(shù)，對照定標校正曲線就可確定各譜線的波長。 本實驗利用汞燈為攝譜儀進行定標校正。然后測出氫原子光譜巴爾末線系各譜線的波長，再根據(jù)式（28-2）算出。操作步驟： 1

4、對著儀器參考圖或儀器使用說明書，在處裝上看鏡目鏡，熟悉攝譜儀各部分的結(jié)構(gòu)及操作方法。 2將汞燈置于 “S”處，前后移動聚光鏡1，使光源清晰地成像于狹縫處。在目鏡中觀察出射光譜，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪，使任一條光譜進入視場，輕輕轉(zhuǎn)動出射聚光鏡2的調(diào)焦手輪，使光譜線像聚焦清晰；再轉(zhuǎn)動角調(diào)節(jié)輪，逐個觀察光源的各條光譜線并與附表中列出的譜線顏色核對無誤后，開始測量。依次記下各光源不同波長譜線的所對應的讀數(shù)。 3將氫燈置于“S”處，（注意：氫燈用的是是高壓，調(diào)壓變壓器輸出指示數(shù)不能超過規(guī)定的值），測出氫原子光譜中紅、藍、紫三條譜線所對應的鼓輪讀數(shù)。 4數(shù)據(jù)處理與分析： （1）列表記錄所有數(shù)據(jù)，表格自擬。 （2）

5、用毫米方格作圖紙，作出光譜儀的定標曲線。 （3）由定標校正曲線及氫光譜測得的，求出巴爾末譜線系中三條譜線的波長，并與氫光譜的標準波長比較。 （4）由氫光譜所測得的三個波長，按式（28-2）算出里德堡常數(shù)，求出其平均值，并與公認值比較，算出測量的不確定度。 注意事項 1光譜儀中的狹縫是比較精密的機械裝置，實驗中不要任意調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪時，動作一定要緩慢。禁止用手觸摸透鏡等光學元件。 2氫光源使用的是高壓電源，應特別小心。開燈前，先將調(diào)壓變壓器置于低電壓處，然后通電源，慢慢地調(diào)節(jié)變壓器升壓到氫光源穩(wěn)定發(fā)光。關(guān)燈時，先把變壓器降到最低電壓，再斷開電源。問題討論1要能在看譜目鏡中看到不同波長的譜線

6、，應如何調(diào)節(jié)？各譜線出射時的相對位置應在何處讀出？2測物質(zhì)光譜波長時，如何定標？3氫原子光譜的巴爾末線系三條譜線的量子數(shù)n各為多少？4根據(jù)光柵實驗和本實驗的學習、實踐，請對光柵光譜和棱鏡光譜作簡要的比較、分析。5要使比較光譜的各個光源的位置都位于攝譜儀準直透鏡的光軸上，應怎樣進行調(diào)節(jié)？6利用比較光譜測定光波波長的原理是什么？7哈特曼光闌的作用是什么？8為什么感光片必須位于一定的傾斜的位置上，才能使可見光區(qū)的所有譜線清晰？9你知道有哪些測定光波波長的方法？你已作過的實驗有哪幾種？試比較它們的特點。附錄一、攝譜儀基本結(jié)構(gòu) 攝譜儀的光學系統(tǒng)如圖28-2所示，自光源S發(fā)出的光，經(jīng)聚光鏡會聚于可調(diào)狹縫上

7、，調(diào)節(jié)狹縫以獲得一束寬度、光強適當?shù)墓?，此光?jīng)準直透鏡后成平行光射到棱鏡上，再經(jīng)棱鏡折射色散，由另一聚光鏡成像于接收系統(tǒng)。以上元部件均安裝在導軌上。下面分別介紹攝譜儀的幾個主要元部件。 （1）狹縫頭 狹縫頭由狹縫片、狹縫蓋、哈特曼光欄、刻度手輪、曝光開關(guān)等組成。狹縫頭是光譜儀中最精密、最重要的機械部分，它用來限制入射光束，構(gòu)成光譜的實際光源，直接決定譜線的質(zhì)量。狹縫片由一對能對稱分合的刀口組成，其分合動作由刻度手輪d控制?？潭仁州喪潜３知M縫精密的重要部分，因此轉(zhuǎn)動手輪時一定要用力均勻、輕柔，狹縫蓋內(nèi)裝有能左右拉動的哈特曼欄板c，蓋外裝有可左右拉動控制狹縫開、閉的曝光的開關(guān)e，如圖28-3所示。

8、哈特曼光欄是用來改變譜線在照相膠片上的位置，以便對三種譜線進行比較。當板上三條刻線與狹縫蓋邊緣相切時，表示光欄板上的三個橢圓孔相應地移到狹縫的正前方，從而選擇光譜在膠片上的位置。曝光開關(guān)還兼有防塵作用，在不使用時應把它關(guān)閉。 （2）色散系統(tǒng) 色散系統(tǒng)是一個恒偏向棱鏡，它使光線在色散的同時又偏轉(zhuǎn)90o。棱鏡本身也可繞鉛直軸轉(zhuǎn)動。 （3）接收系統(tǒng) 小型棱鏡攝譜儀的接收系統(tǒng)有三種。照相機；看譜目鏡；出射狹縫，可分別裝于圖28-2中的處。 若處裝上照相機，則光譜可成像在毛玻璃屏上，調(diào)焦清晰后，取下毛玻璃屏換上感光膠片，即可曝光拍攝光譜線。 若處裝上出射狹縫，則構(gòu)成一個單色儀，轉(zhuǎn)動棱鏡轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪，可使聚焦于出射狹縫的不同光譜線射出，以獲得所需的單色光。 若處裝上看譜目鏡系統(tǒng)，則可直接用眼睛觀察光譜線。本實驗利用看譜系統(tǒng)進行各種發(fā)射光譜線波長的測量。在看譜目鏡視場中有一小的黑三角，作為測量譜線波長的基準。當轉(zhuǎn)動棱鏡轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪時，棱鏡位置旋轉(zhuǎn)，出射的光譜線位置也跟著移動，當在所需讀出的譜線移到黑三角位置處時，可由與轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪相連的螺旋刻度尺上讀出此時棱鏡的相對位置。欲知此時譜線波長的數(shù)值，則需先對螺旋刻度尺進行定標校正。二、汞、氫光譜的標準波長表光源顏色和波長（nm）氦藍藍藍綠藍綠藍綠