實(shí)驗(yàn)二十八小型棱鏡攝譜儀的使用

1、實(shí)驗(yàn)二十八 小型棱鏡攝譜儀的使用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1了解攝譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法，學(xué)習(xí)小型攝譜儀的定標(biāo)方法。2觀察物質(zhì)的發(fā)射光譜，測(cè)定氫原子光譜線的波長(zhǎng)，驗(yàn)證原子光譜的規(guī)律性，測(cè)定氫原子光譜的里德堡常數(shù)。教學(xué)要求 1進(jìn)一步認(rèn)識(shí)原子輻射的微觀機(jī)理，學(xué)習(xí)借助分析原子光譜的規(guī)律性研究微觀世界的方法。 2學(xué)習(xí)物理量的比較測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)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(dāng)由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，將輻射出一定能量的光子，光子的波長(zhǎng)為，由能級(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)，也就是有不同的發(fā)射光譜。通過對(duì)發(fā)射光譜的測(cè)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(cè)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(jìn)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(shí)驗(yàn)原理 1氫原子光譜的規(guī)律 1885瑞士物理學(xué)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(zhǎng)滿足巴爾末公式： （28-1）式中，n=3，4，5，組成一個(gè)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(cè)出巴爾末線系各譜線的波長(zhǎng)后，就可由式（28-2）算出里德堡常數(shù)，若與公認(rèn)值=1.096776相比，在一定誤差范圍內(nèi)，就能驗(yàn)證巴爾末公式和氫原子光譜的規(guī)律。2譜線波長(zhǎng)的測(cè)量先用一組已知波長(zhǎng)的光譜線做標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)出它們移動(dòng)到讀數(shù)標(biāo)記位置處時(shí)螺旋刻度尺的讀數(shù)后，以為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，作定標(biāo)曲線。對(duì)于待測(cè)光譜波長(zhǎng)的光源只要記下它各條譜線所對(duì)應(yīng)的螺旋尺上讀數(shù)，對(duì)照定標(biāo)校正曲線就可確定各譜線的波長(zhǎng)。 本實(shí)驗(yàn)利用汞燈為攝譜儀進(jìn)行定標(biāo)校正。然后測(cè)出氫原子光譜巴爾末線系各譜線的波長(zhǎng)，再根據(jù)式（28-2）算出。操作步驟： 1

4、對(duì)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪，使任一條光譜進(jìn)入視場(chǎng)，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)角調(diào)節(jié)輪，逐個(gè)觀察光源的各條光譜線并與附表中列出的譜線顏色核對(duì)無誤后，開始測(cè)量。依次記下各光源不同波長(zhǎng)譜線的所對(duì)應(yīng)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(cè)出氫原子光譜中紅、藍(lán)、紫三條譜線所對(duì)應(yīng)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(biāo)曲線。 （3）由定標(biāo)校正曲線及氫光譜測(cè)得的，求出巴爾末譜線系中三條譜線的波長(zhǎng)，并與氫光譜的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)比較。 （4）由氫光譜所測(cè)得的三個(gè)波長(zhǎng)，按式（28-2）算出里德堡常數(shù)，求出其平均值，并與公認(rèn)值比較，算出測(cè)量的不確定度。 注意事項(xiàng) 1光譜儀中的狹縫是比較精密的機(jī)械裝置，實(shí)驗(yàn)中不要任意調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪時(shí)，動(dòng)作一定要緩慢。禁止用手觸摸透鏡等光學(xué)元件。 2氫光源使用的是高壓電源，應(yīng)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(shí)，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(zhǎng)的譜線

6、，應(yīng)如何調(diào)節(jié)？各譜線出射時(shí)的相對(duì)位置應(yīng)在何處讀出？2測(cè)物質(zhì)光譜波長(zhǎng)時(shí)，如何定標(biāo)？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(shí)驗(yàn)和本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，請(qǐng)對(duì)光柵光譜和棱鏡光譜作簡(jiǎn)要的比較、分析。5要使比較光譜的各個(gè)光源的位置都位于攝譜儀準(zhǔn)直透鏡的光軸上，應(yīng)怎樣進(jìn)行調(diào)節(jié)？6利用比較光譜測(cè)定光波波長(zhǎng)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(cè)定光波波長(zhǎng)的方法？你已作過的實(shí)驗(yàn)有哪幾種？試比較它們的特點(diǎn)。附錄一、攝譜儀基本結(jié)構(gòu) 攝譜儀的光學(xué)系統(tǒng)如圖28-2所示，自光源S發(fā)出的光，經(jīng)聚光鏡會(huì)聚于可調(diào)狹縫上

7、，調(diào)節(jié)狹縫以獲得一束寬度、光強(qiáng)適當(dāng)?shù)墓?，此光?jīng)準(zhǔn)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(dǎo)軌上。下面分別介紹攝譜儀的幾個(gè)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(jī)械部分，它用來限制入射光束，構(gòu)成光譜的實(shí)際光源，直接決定譜線的質(zhì)量。狹縫片由一對(duì)能對(duì)稱分合的刀口組成，其分合動(dòng)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(dòng)手輪時(shí)一定要用力均勻、輕柔，狹縫蓋內(nèi)裝有能左右拉動(dòng)的哈特曼欄板c，蓋外裝有可左右拉動(dòng)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(duì)三種譜線進(jìn)行比較。當(dāng)板上三條刻線與狹縫蓋邊緣相切時(shí)，表示光欄板上的三個(gè)橢圓孔相應(yīng)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(shí)應(yīng)把它關(guān)閉。 （2）色散系統(tǒng) 色散系統(tǒng)是一個(gè)恒偏向棱鏡，它使光線在色散的同時(shí)又偏轉(zhuǎn)90o。棱鏡本身也可繞鉛直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 （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(jī)；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(jī)，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(gè)單色儀，轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)利用看譜系統(tǒng)進(jìn)行各種發(fā)射光譜線波長(zhǎng)的測(cè)量。在看譜目鏡視場(chǎng)中有一小的黑三角，作為測(cè)量譜線波長(zhǎng)的基準(zhǔn)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪時(shí)，棱鏡位置旋轉(zhuǎn)，出射的光譜線位置也跟著移動(dòng)，當(dāng)在所需讀出的譜線移到黑三角位置處時(shí)，可由與轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)輪相連的螺旋刻度尺上讀出此時(shí)棱鏡的相對(duì)位置。欲知此時(shí)譜線波長(zhǎng)的數(shù)值，則需先對(duì)螺旋刻度尺進(jìn)行定標(biāo)校正。二、汞、氫光譜的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)表光源顏色和波長(zhǎng)（nm）氦藍(lán)藍(lán)藍(lán)綠藍(lán)綠藍(lán)綠