氫原子光譜實(shí)驗(yàn)

一、試驗(yàn)原理1.氫原子光譜的試驗(yàn)現(xiàn)象光譜儀視察某些星體的光譜或分析氫放電管的光譜，在可見(jiàn)光的區(qū)域內(nèi)得到巴耳末系,內(nèi)有四條最亮的譜線，分別稱為Hα、Hβ、Hγ、Hδ。2.巴耳末用閱歷公式1885年瑞士的巴耳末用閱歷公式表示出氫原子的前四條可見(jiàn)光譜：B=364.56為一閱歷常數(shù).

3.里德伯公式:里德伯將此式改寫成用波數(shù)表示的形式.

4.里茲并合原理：里德伯.里茲發(fā)覺(jué)堿金屬光譜有類似的規(guī)律.T稱為光譜項(xiàng)，其中m=1，2，3，……，對(duì)于每一個(gè)m，n=m+1，m+2，……，構(gòu)成一個(gè)譜線系。

其中h為普朗克常數(shù)，e、m、M、n分別為電子電荷，電子質(zhì)量，氫原子核質(zhì)量，主量子數(shù)。當(dāng)n確定時(shí)，原子具有確定的能態(tài)，處于確定的能級(jí)。當(dāng)電子從一個(gè)能態(tài)躍遷到另一個(gè)能態(tài)時(shí)，如由主量子數(shù)為n2的En2能態(tài)躍遷到主量子數(shù)為n1的En1能態(tài)時(shí)伴隨著放射和吸取一個(gè)能量子為En2-En1的光量子,用波數(shù)表示:5.玻爾理論:原子中的電子只能在一系列確定的軌道上運(yùn)動(dòng)，它的半徑、角動(dòng)量、能量都是量子化的，這些允許分立的狀態(tài)的能量為：里德伯常數(shù):假如視原子核質(zhì)量為無(wú)窮大（設(shè)原子核不動(dòng)），則里德伯常數(shù)為：RH可以表示成：

對(duì)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。假如氫原子同位素存在，則它的巴爾末系各條譜線的波數(shù)與氫的巴爾末系的相應(yīng)譜線的波數(shù)應(yīng)是有區(qū)分的。反映在譜線上，就應(yīng)當(dāng)是核質(zhì)量大的譜線向波數(shù)增大的方向發(fā)生位移，稱為同位素效應(yīng)。但是又從式可以看出，由于兩者質(zhì)量相差不大，所以對(duì)光譜線的影響很小，兩者的相應(yīng)譜線的波數(shù)相差不大，因此光譜上將形成的將是很難分開的雙線或多重線。1932年尤萊（H.C.Urey）、布里克威得（F.G.Brickwedde）發(fā)覺(jué)氫的巴爾末系各條譜線都是雙線，這是氫有兩種同位素存在的重要試驗(yàn)證據(jù)，若能算出兩者的核質(zhì)量比，則可判定這兩種同位素就是氫和氘。*6.同位素效應(yīng)通過(guò)對(duì)H和D的巴爾末系各條譜線所測(cè)得的波數(shù)值及與之相應(yīng)的H的質(zhì)量MH和D的質(zhì)量MD一起代入上式后可以求出各自的里德伯常數(shù)。依據(jù)巴爾末公式:式中是已知值。注意，式中各是指真空中的波長(zhǎng)。二、試驗(yàn)的目的：1.測(cè)量氫原子光譜中巴爾末線系的幾條譜線的波長(zhǎng)。2.測(cè)量計(jì)算各譜線的里德伯常數(shù)RH，并求其平均值或用線性擬和的方法求出RH。計(jì)算氫、氘原子核的質(zhì)量之比。3.學(xué)習(xí)多功能組合光譜儀的運(yùn)用。三、試驗(yàn)儀器設(shè)備的介紹1.試驗(yàn)儀器的組成1)WGD-8A多功能光柵光譜儀:由光柵單色儀，接受單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，攝譜儀的接收分為光電倍增管和CCD兩個(gè)系統(tǒng)，可用于信息的線性采集和實(shí)時(shí)采集，2)待測(cè)光源,定標(biāo)用光源,計(jì)算機(jī),打印機(jī)等.參看圖.光譜儀光源光源電源光電倍增管USB控制器光柵光譜儀2.WGD-8A型光柵光譜儀原理

1)光譜儀光路光譜儀的入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0—2mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，，通過(guò)S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)反射鏡M3成像在S2上或S3上，之后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。da2)反射式閃爍光柵光譜儀中長(zhǎng)運(yùn)用反射式閃爍光柵玻璃板、鍍鋁、刻槽入射角反射角光柵方程為了對(duì)光譜進(jìn)行掃描，將光柵安裝在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由電極驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，可以變更入射角，變更波長(zhǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)較大波長(zhǎng)范圍的掃描四、試驗(yàn)內(nèi)容

1.測(cè)量氫原子光譜中巴爾末線系的幾條譜線的波長(zhǎng)，并將在空氣中的波長(zhǎng)修正為真空中的波長(zhǎng)。2.測(cè)量計(jì)算各譜線的里德伯常數(shù)RH，并求其平均或用線性擬和的方法求出RH。3.計(jì)算里德伯常數(shù)，并與舉薦值[1986年國(guó)際激光光譜學(xué)會(huì)議上發(fā)表并舉薦的里德伯常數(shù)的量值：=(10973731.534±0.012）m-1]比較，求出相對(duì)不確定度。五、試驗(yàn)的步驟

1．準(zhǔn)備將轉(zhuǎn)換開關(guān)（機(jī)箱后板）置“光電倍增管”擋（本試驗(yàn)用光電倍增管接收），接通電箱電源，將電壓調(diào)至400~500V。依據(jù)光源等實(shí)際狀況，調(diào)整、、狹縫。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)狹縫增大，反之減小。旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變更0.5mm。為疼惜狹縫，最大不超過(guò)2.5mm，也不要使狹縫刀口相接觸。調(diào)整使動(dòng)作要輕。打開電腦，點(diǎn)擊WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀限制處理軟件，選擇光電倍增管。初始化。屏幕顯示工作界面，彈出對(duì)話框，讓用戶確認(rèn)當(dāng)前的波長(zhǎng)位置是否有效、是否重新初始化。假如選擇確定，則確認(rèn)當(dāng)前的波長(zhǎng)位置，不再初始化；假如選擇取消，則初始化，波長(zhǎng)位置回到200nm處。熟悉界面。工作界面主要由菜單欄、主工具欄、輔工具欄、工作區(qū)、狀態(tài)欄、參數(shù)設(shè)置區(qū)以及寄存器信息提示區(qū)等組成。菜單欄中有“文件”、“信息/視圖”、“工作”、“讀取數(shù)字”、“數(shù)據(jù)圖形處理”、“關(guān)于”等菜單項(xiàng)，與一般的Windows應(yīng)用程序類似。標(biāo)題欄菜單欄工具欄存儲(chǔ)器選擇及波長(zhǎng)顯示區(qū)工作區(qū)2、參數(shù)設(shè)置。工作方式。模式：所采集的數(shù)據(jù)格式，有能量、透過(guò)率、吸光度、基線。測(cè)光譜時(shí)選擇能量。間隔：兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)間的最小波長(zhǎng)間隔，依據(jù)須要在0.01~1.00nm之間選擇。工作范圍。在起始、終止波長(zhǎng)（200~660nm）和最大、最小值4個(gè)編輯框中輸入相應(yīng)的值，已確定掃描時(shí)的范圍。負(fù)高壓：設(shè)置供應(yīng)應(yīng)倍增管的負(fù)高壓大小，設(shè)1~8共8檔。增益：設(shè)置放大器的放大率。設(shè)1~8檔。采集次數(shù)。在每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)區(qū)平均的次數(shù)。拖動(dòng)滑塊，可在1~1000次之間變更。在參數(shù)設(shè)置區(qū)中，選擇“數(shù)據(jù)”項(xiàng)，在“寄存器”下拉列表框中選擇某一寄存器，在數(shù)據(jù)框中顯示該寄存器的數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置區(qū)中，“系統(tǒng)”、“高級(jí)”兩個(gè)選項(xiàng)，一般不用改動(dòng)。3、波長(zhǎng)定標(biāo)（1）取下氘燈，把汞燈置于狹縫1前，使光勻整照亮狹縫。（2）用鼠標(biāo)點(diǎn)擊新建，再點(diǎn)擊單程進(jìn)行掃描，工作區(qū)內(nèi)顯示汞燈譜線圖。（3）下拉菜單“讀取數(shù)據(jù)”—“尋峰”—“自動(dòng)尋峰”，在對(duì)話框中選擇好寄存器，進(jìn)行尋峰，讀出波長(zhǎng)，與汞燈已知譜線（附后）波進(jìn)步行比較。（4）下拉菜單“工作”—“檢索”，在對(duì)話框中輸入需校準(zhǔn)的波長(zhǎng)值，當(dāng)提示框自動(dòng)消逝時(shí)，波長(zhǎng)被校準(zhǔn)。4、氫（氘）原子光譜的測(cè)量（1）將光源換成氫（氘）燈，測(cè)量氫（氘）光譜的譜線。留意：換燈前，先關(guān)閉原來(lái)的光源，選擇待測(cè)光源，再開啟光源。（2）進(jìn)行單程掃描，獲得氫（氘）光譜的譜線，通過(guò)“尋峰”求出巴爾末線系前3~4條譜線的波長(zhǎng)。留意：在單程掃描過(guò)程中發(fā)覺(jué)峰值超過(guò)最大值，可點(diǎn)擊“停止”。然后找尋最高峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，進(jìn)行定波長(zhǎng)掃描。同時(shí)調(diào)整狹縫，將峰值調(diào)到合適位置