近代物理實(shí)驗(yàn)十九 氫原子光譜

實(shí)驗(yàn)十九氫原子光譜光譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)曾被認(rèn)為是不同的同位素發(fā)射的譜線.但現(xiàn)在認(rèn)為,超精細(xì)結(jié)構(gòu)是單一的同位系的光譜線由原子核的自旋而引起的復(fù)雜結(jié)構(gòu),而不同的同位素的光譜差別則稱為”同位素移位”.氫原子同位素移位是可以準(zhǔn)確算出的。1932年尤里（H.C.Urey）等人用3m凹面衍射光柵拍攝巴耳末（J.J.Balmer）線系的光譜，發(fā)現(xiàn)在和的短波一側(cè)均有一條弱的伴線，測(cè)量這些伴線的波長(zhǎng)并在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)與計(jì)算結(jié)果比較，從而證實(shí)了重氫(氘）的存在。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過(guò)測(cè)量氫和氘譜線的波長(zhǎng)，計(jì)算氫與氘的原子核的質(zhì)量比以及里德伯（J.R.Rydberg）常量（）。（2）掌握棱鏡攝譜儀的原理和使用方法，并學(xué)會(huì)用光譜進(jìn)行分析。二、實(shí)驗(yàn)原理原子光譜是線光譜，光譜排列的規(guī)律不同，反映出原子結(jié)構(gòu)的不同，研究原子結(jié)構(gòu)的基本方法之一是進(jìn)行光譜分析。氫原子光譜由許多譜線系組成，在可見光區(qū)的譜線系是巴耳末系，其代表線為，這些譜線的間隔和強(qiáng)度都向著短波方向遞減，并滿足下列規(guī)律：(1-1)式中B=364.56nm,n為正整數(shù).當(dāng)n=3,4,5,6時(shí),上式分別給出各譜線波長(zhǎng),(1-1)式是瑞士物理學(xué)家巴耳末根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果首先總結(jié)出來(lái)的,故稱為巴耳末公式。若用波數(shù)表示譜線，則(1-1)式改寫為：(1-1)式中為里德伯常量，n取整數(shù)。根據(jù)玻爾（N。Bohr）理論對(duì)氫原子和類氫原子的里德伯常量計(jì)算，有：式中為電子質(zhì)量，M為原子核質(zhì)量。由上式看出里德伯常量與原子核的質(zhì)量有關(guān)，其中H是普朗克常量，c是光速，為真空中介電常數(shù)。由于M相對(duì)于來(lái)說(shuō)是很大的，若把M當(dāng)作無(wú)限大，即原子核不動(dòng)，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，這時(shí)R即為。氘是氫的同位素，它們有相同的質(zhì)子和核外電子，只是氘比氫多了一個(gè)中子而使原子核的質(zhì)量發(fā)生變化，從而使得它的里德伯常量值也發(fā)生了變化，故氫和氘的里德伯常量分別為：（1--4）（1-5）式中分別表示氫與氘原子核的質(zhì)量。由（1-4）、（1-5）兩式解出：（1-6）為氫原子核質(zhì)量與電子質(zhì)量之比（取值為1836），如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出，則可算出氫與氘原子核質(zhì)量比。由于氫與氘的光譜有相同的規(guī)律性，故氫和氘的巴耳末公式的形式相同，分別為：（1-7）（1-8）式中為氘的各譜線波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中只要測(cè)得各譜線的或，并辨認(rèn)出與各譜線對(duì)應(yīng)的n，即可算出。4．測(cè)定譜線波長(zhǎng)利用與鐵譜對(duì)比進(jìn)行測(cè)量，底片上要并列拍攝兩排光譜，一排為氫氘光譜，另一排是作為標(biāo)準(zhǔn)的鐵譜線，它的每一條譜線都是已知的。由于光柵攝譜儀的色散接近線性，因此可用直線內(nèi)插法近似計(jì)算氫氘譜線波長(zhǎng)，為了減小測(cè)量誤差，選擇的鐵譜線不僅越靠近待測(cè)譜線越好，而且盡量選擇比較清晰且細(xì)的鐵譜線。如圖1-2中,為待測(cè)譜線，為待測(cè)譜線附近的已知鐵線譜，及是利用阿貝比長(zhǎng)儀分別測(cè)試出的各譜線的位置坐標(biāo)，則待測(cè)譜線波長(zhǎng)為：（1-9）