氫原子光譜實驗

氫原子光譜實驗第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一一、實驗原理1.氫原子光譜的實驗現(xiàn)象光譜儀觀察某些星體的光譜或分析氫放電管的光譜，在可見光的區(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。

譜線HαHβHγHδ波長nm656.279486.133434.046410.173顏色紅深綠青紫λnm0.1810.1360.1210.116第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

2.巴耳末用經(jīng)驗公式1885年瑞士的巴耳末用經(jīng)驗公式表示出氫原子的前四條可見光譜：B=364.56為一經(jīng)驗常數(shù).第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

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)現(xiàn)堿金屬光譜有類似的規(guī)律.T稱為光譜項，其中m=1，2，3，……，對于每一個m，n=m+1，m+2，……，構(gòu)成一個譜線系。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

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一定時，原子具有一定的能態(tài)，處于一定的能級。當(dāng)電子從一個能態(tài)躍遷到另一個能態(tài)時，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)時伴隨著發(fā)射和吸收一個能量子為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動，它的半徑、角動量、能量都是量子化的，這些允許分立的狀態(tài)的能量為：第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一里德伯常數(shù):第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一如果視原子核質(zhì)量為無窮大（設(shè)原子核不動），則里德伯常數(shù)為：RH可以表示成：第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

對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)別的。反映在譜線上，就應(yīng)該是核質(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)現(xiàn)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實驗證據(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)第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一通過對H和D的巴爾末系各條譜線所測得的波數(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)。根據(jù)巴爾末公式:第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一式中是已知值。注意，式中各是指真空中的波長。第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一二、實驗的目的：1.測量氫原子光譜中巴爾末線系的幾條譜線的波長。2.測量計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使用。第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一三、實驗儀器設(shè)備的介紹1.實驗儀器的組成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兩個系統(tǒng)，可用于信息的線性采集和實時采集，2)待測光源,定標用光源,計算機,打印機等.參看圖.光譜儀光源光源電源光電倍增管USB控制器光柵光譜儀第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一2.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)出的光束進入入射狹縫S1，S1位于反射式準光鏡M2的焦面上，，通過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，之后送入計算機進行分析。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一da2)反射式閃耀光柵光譜儀中長使用反射式閃耀光柵玻璃板、鍍鋁、刻槽入射角反射角光柵方程為了對光譜進行掃描，將光柵安裝在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由電極驅(qū)動，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，可以改變?nèi)肷浣?/p>

，改變波長范圍，實現(xiàn)較大波長范圍的掃描第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一四、實驗內(nèi)容

1.測量氫原子光譜中巴爾末線系的幾條譜線的波長，并將在空氣中的波長修正為真空中的波長。2.測量計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.計算里德伯常數(shù)，并與推薦值[1986年國際激光光譜學(xué)會議上發(fā)表并推薦的里德伯常數(shù)的量值：=(10973731.534±0.012）m-1]比較，求出相對不確定度。第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一五、實驗的步驟

1．準備將轉(zhuǎn)換開關(guān)（機箱后板）置“光電倍增管”擋（本實驗用光電倍增管接收），接通電箱電源，將電壓調(diào)至400~500V。根據(jù)光源等實際情況，調(diào)節(jié)、、狹縫。順時針旋轉(zhuǎn)狹縫增大，反之減小。旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.5mm。為保護狹縫，最大不超過2.5mm，也不要使狹縫刀口相接觸。調(diào)節(jié)使動作要輕。打開電腦，點擊WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀控制處理軟件，選擇光電倍增管。初始化。屏幕顯示工作界面，彈出對話框，讓用戶確認當(dāng)前的波長位置是否有效、是否重新初始化。如果選擇確定，則確認當(dāng)前的波長位置，不再初始化；如果選擇取消，則初始化，波長位置回到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，與一般的Windows應(yīng)用程序類似。第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一標題欄菜單欄工具欄存儲器選擇及波長顯示區(qū)工作區(qū)第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一2、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、透過率、吸光度、基線。測光譜時選擇能量。間隔：兩個數(shù)據(jù)點間的最小波長間隔，根據(jù)需要在0.01~1.00nm之間選擇。工作范圍。在起始、終止波長（200~660nm）和最大、最小值4個編輯框中輸入相應(yīng)的值，已確定掃描時的范圍。負高壓：設(shè)置提供給倍增管的負高壓大小，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)。在每個數(shù)據(jù)點，采集數(shù)據(jù)區(qū)平均的次數(shù)。拖動滑塊，可在1~1000次之間改變。在參數(shù)設(shè)置區(qū)中，選擇“數(shù)據(jù)”項，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”兩個選項，一般不用改動。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3、波長定標（1）取下氘燈，把汞燈置于狹縫1前，使光均勻照亮狹縫。（2）用鼠標點擊新建，再點擊單程進行掃描，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”—“自動尋峰”，在對話框中選擇好寄存器，進行尋峰，讀出波長，與汞燈已知譜線（附后）波長進行比較。（4）下拉菜單“工作”—“檢索”，在對話框中輸入需校準的波長值，當(dāng)提示框自動消失時，波長被校準。4、氫（氘）原子光譜的測量（1）將光源換成氫（氘）燈，測量氫（氘）光譜的譜線。注意：換燈前，先關(guān)閉原來的光源，選擇待測光源，再開啟光源。（2）進行單程掃描，獲得氫（氘）光譜的譜線，通過“尋峰”求出巴爾末線系前3~4條譜線的波長。注意：在單程掃描過程中發(fā)現(xiàn)峰值超過最大值，可點擊“停止”。然后尋找最高峰對應(yīng)的波長，進行定波長掃描。同時調(diào)節(jié)狹縫，將峰值調(diào)到合適位置。然后將波長范圍設(shè)置成200~660nm，再單程掃描。掃描完畢，保存文件。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一六、實驗的數(shù)據(jù)處理一、測量得到的氫氘譜線圖第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一二、數(shù)據(jù)表格譜線

Hα

HβHγHδ波長/nm656.279486.133434.046410.173顏色紅深綠青紫δλ/nm0.1810.