氢原子光谱Word文档格式.docx

1、入射的光束经反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜成像在上和上，通过可以观察光的衍射情况，以便调节光栅；光通过后用光电倍增管接收，送入计算机进行分析。图光栅光谱仪光学原理图图闪耀光栅示意图在光栅光谱仪中常使用反射式闪耀光栅。如图所示，锯齿形是光栅刻痕形状。现考虑相邻刻槽的相应点上反射的光线。和是以角入射的光线。和是以角衍射的两条光线。和两条光线之间的光程差是（sinsin），其中是相邻刻槽间的距离，称为光栅常数。当光程差满足光栅方程（sinsin）， ，时，光强有一极大值，或者说将出现一亮的光谱线。对同一，根据、可以确定衍射光的波长，这就是光栅测量光谱的原理。闪耀光栅将同一波长

2、的衍射光集中到某一特定的级上。为了对光谱扫描，将光栅安装在转盘上，转盘由电机驱动，转动转盘，可以改变入射角，改变波长范围，实现较大波长范围的扫描，软件中的初始化工作，就是改变的大小，改变测试波长范围。四、实验原理氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管（氢灯）中的稀薄氢气（压力在102左右），可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 （2.5-1）式中H为氢原子谱线在真空中的波长。0364.57是一经验常数。取，等整数。若用波数表示，则上式变为 （2.5-2）式中H称为氢的里德伯常数。根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，

3、得 （2.5-3）式中为原子核质量，为电子质量，为电子电荷，为光速，为普朗克常数，0为真空介电常数，为原子序数。当时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数（普适的里德伯常数） （2.5-4）所以 （2.5-5）对于氢，有 （2.5-6）这里H是氢原子核的质量。由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线的波长，借助（2.5-6）式可求得氢的里德伯常数。里德伯常数是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上有重要意义，目前它的推荐值为（）表2.5-1为氢的巴尔末线系的波长表。图2.5-1是氢原子能级图。表2.5-1氢的巴尔末线系波长谱线符号波长（nm）H656.280H486.13

4、3H434.047H410.174H397.007H388.906H383.540H379.791H377.063H375.015值得注意的是，计算H和时，应该用氢谱线在真空中的波长，而实验是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长。即真空空气，氢巴尔末线系前条谱线的修正值如表2.5-2所示。表2.5-2波长修正值氢谱线（nm）0.1810.1360.1210.1160.1120.110五、实验步骤1.氢原子光谱波长的测量和里德伯常数的计算（）准备系统按图2.5-4接线。接通电源前，认真检查接线是否正确。并检查转换开关的位置。如用光电倍增管接收，将扳手置“光电倍增管”档；如目视，

5、将扳手置“观察缝”档。然后接通电箱电源，并将电压调到。狭缝调整根据光源等实际情况，调节1、2、3狭缝。顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小。每旋转一周狭缝宽度变化0.5。为保护狭缝，最大不超过2.5。不要使狭缝刀口相接触。用力要轻。开启计算机。启动-型组合式光栅光谱仪控制处理软件。软件操作方法可参阅-型组合式多功能光栅光谱仪使用说明书-页。初始化。屏幕上显示工作界面后，弹出对话框，让操作者确认当前的波长位置是否有效，是否重新初始化。如果选择取消，则初始化，波长位置回到处。软件工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及寄存器信息提示区等组成。菜单栏有文件、信息视图、工

6、作、读取数据、数据图形处理等项。与一般的Windows应用程序类似。（）氢原子发射光谱的测量选定光谱光源，打开放电管电源。将光源对准光谱仪入射狭缝，通过螺旋测微器调节狭缝宽度。必要时可在光源前加聚光镜，移动聚光镜，均匀照亮入射狭缝。将扳手置“观察缝”，由出射狭缝目视入射狭缝是否均匀照明。选择参数设置区的“参数设置”项，设置工作方式、范围及状态。工作方式模式：所采集的数据格式，有能量、透过率、吸光度、基线。测光谱时选能量。间隔：两个数据点之间的最小波长间隔，根据需要在0.1之间选择。工作范围：在起始、终止波长和最大、最小值个编辑框中输入相应的值。工作状态负高压：提供给光电倍增管的负高压，设共八档

7、。增益：设置放大器的放大率，设共八档。采集次数：在每个数据点上采集数据取平均的次数。拖动滑块，在次之间选择。在参数设置区中，选择“数据”项，在“寄存器”下拉列表框中选择某一寄存器，在数值框中显示该寄存器的数据。参数设置区中，“系统”、“高级”两个选项，一般不要改动。待初始化完毕，用鼠标点击文件新建，并点击工具栏中的“单程”扫描，开始显示图像。建议先测定标光源（如汞、氖、氦、氮灯）的谱线，在“读取数据”项下对曲线进行寻峰，读出波长，和定标光源的已知谱线（附后）波长相比较，对波长进行修正。如果在扫描过程中发现峰值超出最高标度，可点击“停止”。然后寻找最高峰对应的波长，进行定波长扫描（在“工作”菜单

8、内）。同时调节倍增管前面的狭缝宽度，将峰值调到合适位置。调节完毕，将波长范围设置成，重新初始化，再单程扫描。扫描完毕，保存文件。将光源换成氢灯，测量氢光谱的谱线。注意，换光源前，先关闭先前光源，选择待测光源，再开启电源。进行单程扫描，获得氢光谱的谱线，通过“寻峰”或“读取谱线数据”求出巴尔末线系前-条谱线的波长。六、实验结果与数据记录1.将氢谱线空气中的波长修正为真空波长。2.由（2.5-2）式计算各谱线的里德伯常数H，求H的平均值。3.由（2.5-6）式计算普适里德伯常数，并与推荐值比较，求相对误差。给出结果照片：实验中数据记录如下图所示，并按照表格进行了真空修正：谱线光谱波长/nm410.

9、2434.4486.3656.6谱线相对能量45.7144.6561.2729.7进行真空修正后410.316434.521486.436656.781七、数据分析真空中谱波长/nmn6543里德伯常数/107m-11.0971.096里德伯常数的平均值为推荐值1.09737*107计算普适里德伯常数：其中，所以推荐值是R10973731.568549（83）/m，故相对误差为为了保证本实验结果测量的准确性，笔者打算再采用另方法处理数据，下面的办法是直接用曲线拟合，用拟合结果来求出Rh。此时得到值为1.09668*107，虽然保留三位有效数字依旧是1.097*107，但显然离标准值1.0973

10、7*107更为接近。故曲线拟合再由斜率求得的结果更为精确八、误差分析一，数据处理过程中难免会有四舍五入，产生误差二，仪器精度有限，操作者熟练度有限，如狭缝宽度与表示读数并不相同或操作者光路调节失误，产生误差三，未进行真空中的谱线修正，从而产生误差。四，实验室有自然光干扰九、注意事项1.光谱仪是精密贵重仪器，需倍加爱护，单色仪和电箱不得擅自打开，狭缝调节须小心，不可用力拧。2.氢灯等放电管都用了高压电源，使用时务必注意安全。换灯前先关闭电源，再拨旋钮。3.仪器断电和先启动软件再给仪器通电，均可能造成波长混乱。此时应关闭软件，在先给仪器通电情况下，对仪器重新初始化。4.实验中应采取防噪声和干扰的措

11、施。例如，实验室尽量暗一些，防止实验桌的振动，狭缝勿开太大，对供电电源进行稳压，等。十、实验思考与问答（1）氢光谱巴尔末线系的极限波长是多少?实验原理已经给出：对于极限波长， n时，=4/Rh=364.5nm（2）谱线计算值具有唯一的波长，但实测谱线有一定宽度，其主要原因是什么?虽然在能量上说电子不同轨道之间的能量差应该是确定值，原子的谱线应该是非常细的细线，但是由于量子不确定性的存在，归根结底也就是量子真空涨落的存在，由海森伯不确定原理，Eth，由于测量时间是有限的，故测得的能级有一定展宽.另外，电子在轨道上也会出现不规律的振动，导致轨道之间跃迁的能量差也不断振动，所以就有谱线宽度的存在。 原子之间可能产生碰撞，原子之间的相互作用、原子核与电子的相互作用致使谱线宽度的产生。 最后，仪器自身精度也是有限的，测量仪器摆放位置也不可能做到完完全全的精准。十一、参考资料黄润生等，近代物理实验第二版，南京大学出版社杨福家，原子物理，高等教育出版社，：戴乐山等，近代物理实验，复旦大学出版社，：天津市港东科技发展有限公司，-型光栅光谱仪使用说明书，