光學(xué)多道實驗報告

1、光學(xué)多道【摘要】本次實驗利用光學(xué)多道分析儀，研究H的同位素光譜，了解H、D原子譜線的特點，學(xué)習(xí)光學(xué)多道分析儀的使用方法及基本的光譜學(xué)技術(shù)。本次實驗首先利用CCD進(jìn)行測量，利用氦的光譜作為標(biāo)準(zhǔn)對H光譜進(jìn)行標(biāo)定。之后利用光電倍增管進(jìn)行掃頻，觀察H、D譜線分裂。利用所得譜線數(shù)據(jù)計算電子與質(zhì)子質(zhì)量比。關(guān)鍵詞：H光譜、D光譜、CCD、光電倍增管1、 引言光譜學(xué)在眾多物理學(xué)科中占有極為重要的地位、在其他學(xué)科中也有重要應(yīng)用。光譜學(xué)史乃至近代物理學(xué)史上，氫光譜的實驗和理論研究都占有特別重要的地位。1885年瑞士物理學(xué)家巴耳末就發(fā)現(xiàn)了可見光區(qū)H光譜波長的規(guī)律，即巴耳末公式，這些譜線構(gòu)成的譜線系稱為巴耳末系。由于

2、H原子和D原子的核外都只有一個電子，故光譜極為相似。但由于原子核質(zhì)量不同，H、D對應(yīng)的譜線的波長稍有差別，這種差別被稱為“同位素位移”。本實驗利用光學(xué)多道分析儀研究H的同位素光譜，了解H、D原子譜線的特點，學(xué)習(xí)光學(xué)多道分析儀的使用方法及基本的光譜學(xué)技術(shù)。2、 實驗原理1.原子能級及巴耳末系 在量子化的原子體系中，原子能量狀態(tài)為一系列分立的值，每一個能量狀態(tài)稱原子的一個能級。能量最低的狀態(tài)稱為原子的基態(tài)，高于基態(tài)的其余各能級稱為原子的激發(fā)態(tài)。處于高能級的原子，總是會自發(fā)躍遷到低能級，并發(fā)射出光子。設(shè)光子能量為，頻率為，高能級為，低能為 ，則 （公式1） （公式2）由于原子能級是分立的，

3、所以當(dāng)原子由高能級向低能級躍遷時，會發(fā)出一些特定頻率的光，這些光在分光儀上表現(xiàn)為一條條分立的譜線，稱為“線性光譜”或“原子光譜”。這些頻率由巴耳末公式確定。對H原子有 （公式3）式中是H原子的里德伯常量。當(dāng)時，所對應(yīng)的線系為賴曼系，位于紫外光區(qū)；當(dāng)時，所對應(yīng)的線系為巴耳末系，大部分位于可見光區(qū)；當(dāng)時，處于其他線系，都在紅外光區(qū)。2、 D原子的譜線與H類似，同位素D的巴耳末譜線系的公式為 （公式4）H和D的巴耳末系對應(yīng)譜線的波長差為： ， （公式5）由上式可以看出，H、D的光譜之間的差別就在于它們的里德伯常量不同。這是因為二者的原子核結(jié)構(gòu)不同。H核是質(zhì)子，D核則由一個質(zhì)子和一個中子構(gòu)成的。忽略質(zhì)

4、子與中子的質(zhì)量的微小差別，則二者的里德伯常量可寫為： （公式6）式中，R=109737.31cm-1，表示原子核質(zhì)量無窮大時的里德伯常量，mp=1.6726485×10-27 kg,為質(zhì)子和中子的質(zhì)量,me=9.1093826×10-31kg為電子質(zhì)量。由二同位素原子的里德伯常量之比可得 （公式7）因而有： （公式8）得到 （公式9）電子的靜止質(zhì)量為，比質(zhì)子質(zhì)量的兩倍小約4個數(shù)量級，比忽略的中字質(zhì)量還要小約1個數(shù)量級，因此，公式9中右側(cè)分母中的電子質(zhì)量完全可以忽略，由此可得 （公式10）從實驗測得對應(yīng)譜線的波長和波長差，即可由公式10得出電子和質(zhì)子的質(zhì)量比。三、實驗內(nèi)容實驗

5、儀器：光學(xué)多道分析儀 光學(xué)多道分析儀，主要由光學(xué)多色儀，電荷耦合器件或光導(dǎo)攝像管、及帶有專用微處理器組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成，OMA是一種采用多通道方法檢測和顯示微弱光譜信號的光電子儀器，具有高靈敏度、高效率、瞬時寬光譜探測范圍和時間分辨等優(yōu)點。20世紀(jì)90年代以來，CCD技術(shù)走向民用，得到了極為迅速的發(fā)展，在光譜學(xué)中的應(yīng)用越來越普遍。 本實驗所用光學(xué)多道分析儀由光柵多色儀，CCD接受單元，電子信號處理單元，A/D采集單元和計算機(jī)組成。1.光柵多色儀圖1 多色儀光路圖 在像平面處有系列狹縫或矩形開口,可同時通過多個單色光的儀器叫做多色儀。利用光柵作為分光元件的多色儀成為光柵多色儀.

6、0; 圖1所示是光柵多色儀的光路圖。通過入射狹縫通過入射狹縫S1的光經(jīng)平面鏡M反射后，被凹面準(zhǔn)光鏡M反射為平行光投射到光柵G上。由于光柵的衍射作用，不同波長的光被反射到不同的方向上，再經(jīng)凹面物鏡M反射，成像在CCD感光平面所在的焦面S2上，或由可旋入的平面鏡M反射到觀察窗S3上。2.CCD光電探測器圖2 CCD工作原理 CCD（電荷耦合器件）可以將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電學(xué)“圖像”，即電荷量與該處照度大致成正比的電荷包空間分布，因此，它可以“同時”探測到空間分布的光信號。 我們實驗所用的是具有2048個像元的線陣列CCD器件。感光像元將信號光子轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯姾?，并實現(xiàn)電荷的存儲、轉(zhuǎn)移和讀出。其

7、工作原理圖2。   CCD靈敏度受光二極管電荷最小可測變化的限制，并受熱暗電流所造成的靶表面漏電的影響，還受放大器噪聲的影響。OMA的分辨率主要決定于多色儀，如分光元件光柵的刻線條數(shù)，以及多色儀光程的長度，但也受CCD的限制，故其分辨率一般在0.010.1nm范圍內(nèi)。一次攝譜范圍為22nm。 （1） 光電倍增管  光電倍增管是一種具有高靈敏度與超快響應(yīng)時間的光探測元件，一般光電倍增管在其響應(yīng)范圍最佳的近紅外光區(qū)到紫外光區(qū)，可以將只有數(shù)百個光子的光訊號轉(zhuǎn)換為有用的脈沖電流，進(jìn)而利用此脈沖電流來做訊號的分析。   光電倍增管是依據(jù)光電子發(fā)

8、射、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)的原理制成的.光陰極在光子作用下發(fā)射電子，這些電子被外電場(或磁場)加速,聚焦于第一次極.這些沖擊次極的電子能使次極釋放更多的電子,它們再被聚焦在第二次極.這樣，一般經(jīng)十次以上倍增,放大倍數(shù)可達(dá)到 1081010。最后，在高電位的陽極收集到放大了的光電流；輸出電流和入射光子數(shù)成正比，而整個過程時間約10-8秒。實驗步驟： 1. 計算巴耳末線系對應(yīng)譜線的波長2. 打開計算機(jī)，調(diào)試儀器3. 用CCD測量氫光譜4. 用光電倍增管計算氫氘光譜5. 關(guān)機(jī)4、 實驗結(jié)果分析及討論1. 根據(jù)公式估算氫的巴耳末線系對應(yīng)譜線的波長表1：估算氫的巴耳末線系對應(yīng)譜線的波長能級n3

9、456氫（nm）656.11486.01433.94410.072. 用CCD測量H譜線，并計算波數(shù)和里德伯常量表2：利用CCD測量H譜線及定標(biāo)時輔助使用的氦譜線波長并計算波數(shù)和里德伯常量能級n3456H譜線測量值（nm）656.25486.18434.10410.13利用氦譜線（nm）653.29、659.90492.19、502.57438.79、443.74402.62、412.08波數(shù)()1523809.522056952.372303616.682438251.29里德伯常量()10971428.5410970412.6410969603.2410972130.81里德伯常量平均值：

10、3. 計算光譜項表3：光譜項計算能級n234562742723.451218988.20685680.86438835.75304747.054. 巴耳末線系中各譜線有關(guān)的氫原子能級圖以光譜項的負(fù)值為縱坐標(biāo)，以時的光譜項的值0為原點，用橫線表示氫原子的能級，用n=3,4,5,到n=2的能級線間的箭號表示巴耳末線系中的光譜線對應(yīng)的能級躍遷。并依次標(biāo)做及相應(yīng)的譜線在真空中的波長值。圖3 能級躍遷圖5. 分析影響分裂的因素氫氘譜線分裂間距的影響因素：由公式可以看出分裂間距與氘譜線波長成正比在實驗操作過程中，譜線分裂間距還與狹縫的寬度有關(guān)：狹縫寬度越窄，通過的波長寬度越窄，譜線分裂越明顯，體現(xiàn)出其分裂間距越大。6. 質(zhì)子與電子質(zhì)量比表4：計算能級n3456（nm）656.25486.18434.10410.13修正（nm）656.05486.05433.99410.0（nm）0.200.130.110.130.000609710.000534920.000506920.00063415平均值0.0057143理論值0.000545誤差4.6%5、 實驗結(jié)論與建議結(jié)論：本次實驗利用光學(xué)多道分析儀，對H、D光譜進(jìn)行了分析，并計算了。利用CCD進(jìn)行測量時，利用氦標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行定標(biāo)，得到能級n=3,4,5,6