实验氢-氘原子光谱

1、.实验氢-氘原子光谱原子光谱的测定与分析，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年巴尔末（J. J. Balmer）总结出了氢光谱线的经验公式。1913年玻尔（N. Bohr），1925年，海森伯（W.Heisenberg）建立起他们的理论都是建筑在原子光谱的测量基础之上的。现在，无论在工业生产部门还是在科学研究领域，原子光谱的观察、测定和分析都是研究原子结构、物质分析的重要方法之一。在物理学、化学化工、材料、生命科学领域内有广泛的实际应用。一实验目的1掌握WPG-100型平面光栅摄谱仪的工作原理和使用方法，学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。2通过所测得的氢（氘）原子光谱在

2、可见和近紫外区的波长（误差小于0.5Å），验证巴耳末公式并准确测出氢（氘）的里德伯常数。3测量氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。二实验原理1原子的激发与辐射原子内部的不同能量状态称为能级。处于基态的原子可以吸收能量而跃迁到较高的能量状态，这个过程称为原子的激发。原子也可以从较高的能级退到较低的能级或基态而放出能量，如果放出的能量取辐射形式，那么放出的能量就成为一个光子的能量hv，这个过程称为原子的辐射。要使原子发光必须先将它激发，原子激发的方式通常分为碰撞激发和光激发两种。具有一定能量的电子、原子、分子与某原子相碰撞而使后者激发称为碰撞激发；原子吸收一个光子引起的激发称为光激

3、发，即光的吸收过程。本实验采用碰撞激发，它又分为热激发和电场引起的碰撞激发两种形式，前者指在高温下各原子有较大的运动速度，相互碰撞而产生激发，本实验的铁光谱就是这种方式产生的。电场引起的碰撞激发是带电粒子在电场作用下加速运动，与原子发生非弹性碰撞使原子激发，氢（氘）光谱就是采用这种方式产生的。2氢原子光谱的实验规律早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可用一个普通的公式表示，即（1）其中：m取1、2、3、4、5等正整数，每一个m值对应一个光谱线系，如当m=2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n取m+1、m+2、m+3、等正整数，每一个n值对应一条谱

4、线；R称为里德伯常数。式（1）称为广义巴耳末公式。根据光谱实验规律和其它实验结果，玻尔提出了原子结构的量子理论。按照玻尔理论得到的氢原子光谱巴耳末线系的理论公式为（2）式中为真空介电常数，为普朗克常数，c为光速，e为电子电荷，m为电子质量，M为氢原子核质量。将式（2）写成（3）其中 （4）为将核的质量视为无穷大（即假定核固定不动）时的里德伯常数。这样便把里德伯常数和许多基本物理常数联系起来了。因此式（3）和实验结果符合程度就成为检验玻尔理论正确性的重要依据之一。同时由于用光谱实验可测得精确度很高的里德伯常数，因而也成为调准基本物理常数值的重要依据之一。3同位素位移由于同一元素的不同同位素具有不

5、同的核质量和电荷分布，而引起原子光谱波长的微小差别称为“同位素位移”。一般来说，元素光谱线同位素位移的定量关系是很复杂的。对于重核，中子数目的增加除了增大原子核的质量外，还使原子核的半径发生变化，它们对同位素的光谱线都有影响。只有像氢原子这样的系统，同位素位移才可以用简单的公式计算。氢原子核是一个质子，其质量为M，氘核比氢核多一个中子，其质量近似为2M。由式（1-2-4）可知氢原子与氘原子的里德伯常数分别为（5）（6）对于巴耳末线系，氢和氘的谱线计算公式分别为（7）（8）对于相同的n，由式（5）（8）可得（9）所以 （10）上式中的是用代替或计算得到的或的近似值。用式（10）计算时，可取的数值

6、。从实验测得的每一个和可算得的一个值，最后求平均值。三实验装置1WPG-100型平面光栅摄谱仪（见附录）2比长仪（见附录）五、实验内容1拍摄满意的光谱片（1）摄谱前，正确选择摄谱条件，拟订摄谱计划并以表格形式列出。其中包括：狭缝宽度、哈特曼光栏、光栅转角、曝光时间、光源电参数、底板位置等。下面的表1可供参考。表1 实验条件选择光源电参数光栅转角狭缝宽度哈特曼光栏曝光时间板移位置氢（氘）铁氢（氘）铁氢（氘）铁（2）熟悉装底片的暗盒结构。在暗室内装好底片，乳剂面朝下，切勿装反。将装好底片的暗盒带出暗室固定在摄谱仪尾部，板移到适当的刻度。（3）摄铁谱A取两根棒状铁电极，各将其一端磨成半球状，装在电极

7、架上，点亮对光灯，调节两电极间的距离和水平位移，使两电极头的像刚好与中间光栏矩形孔的上、下边缘相切。B将狭缝宽度和哈特曼光栏调整至你所选取的位置。熄灭对光灯，并将滤色片置于狭缝前的窗口上。C抽开暗盒挡板，接通电源，将控制选择旋钮拨至“手控”档，将高压电流粗调旋至第一档，工作状态选择旋钮拨至“电弧”档，按动高压开关中的“通”，电弧即启动，开始记曝光时间。到规定摄谱时间后按动高压开关中的“断”，并将工作状态选择旋钮旋至“电源断”。在起弧过程中，如发现电极弧光放电位置移动，可调节电极架上的水平位移或垂直升降旋钮。注意，绝对禁止触摸电极，以免高压触电，造成伤亡。（4）拍摄氢（氘）原子光谱A取下滤色片，

8、盖上“十字对中盖”。将狭缝宽度和哈特曼光栏旋至你所选取的位置。B将上、下电极夹转动一个方向，腾出位置安放氢（氘）灯，点亮对光灯，使氢（氘）灯中央细管中部成像在“十字对中盖”中间。熄灭对光灯，取下“十字对中盖”。此操作过程应细心进行，不要碰碎氢（氘）灯。（此时能否移动暗盒？）C切断电源，检查高压变压器是否接好地，将调压变压器调在零位，再按图1-2-1接线，接电源，缓慢调节调压变压器（5070伏）使氢（氘）灯发出淡红色光即可（放电管工作电压为5000伏左右，是致命的，因此在放电管工作时决不许接触它）。按你选好的曝光时间摄谱完毕将调压器降至零位，再切断电源，将氢（氘）灯放置于安全位置。注意，在正式摄

9、谱前，分别用氢（氘）灯和铁电弧作光源，用目镜在底片位置的毛玻璃板上应能观察到清晰的光谱线，否则要重新调节光路。（5）插好暗盒挡板，取下暗盒到暗室参照实验室给定的条件进行底片显影和定影，然后将底片晾干待用。2识谱与波长测量铁的光谱线在紫外和可见光区等波段十分丰富，绝大多数谱线的波长值都已由前人精确测出并汇编成波长表，因此可用它作为“精确的波长标尺”，通过“线性内插法”可测定未知谱线的波长。（1）线性内插法的原理简述当衍射角很小时，光栅摄谱仪的色散率接近常数，因此在小范围内谱线的间距与谱线的波长差近似成正比。如图1-2-2所示，、分别为靠近待测谱线两侧的铁谱（波长已知），、和分别为、在谱片上的相对

10、位置。由比例关系可得图 线性内插法示意图（11）由上式可见，只要测出相对位置、和的值，就可以求出。（2）辨认待测谱线和确定标准铁谱线将处理好的底片放在光谱投影仪上，光谱被放大20倍。根据氢（氘）原子光谱巴耳末线系的特征（强度、谱线宽度、相互间距等）以及你所选用的哈特曼光栏的大小，确认氢（氘）原子光谱巴耳末线系的前几条谱线，然后用标准铁谱图与之比较，在被测谱线两侧（同侧可以吗？）各选一根铁谱线作为测量标准，并记下它们的波长。（3）用比长仪测量出各谱线的相对位置，用式（11）求出各待测波长。实验数据记录可参用表格2。3通过同位素位移确定质子与电子质量比。4经验公式的求得。（1）将已测出的各波长值换成波数；（2）作出的关系曲线。其中为与各谱线对应的序数（即主量子数）。（3）由曲线形状，估写出函数关系式，通过函数变换再将关系改写成（12）（4）确定常数A、B，代入原关系式中，经过整理便可求巴耳末公式。在确定方程中的常数A和B时，可采用平均法或最小二乘法。最小二乘法原理请参考本书0-2部分，下面仅介绍平均法所依据的原理和步骤。表2 实验记录数 谱线据名称测量次数一二三平均一二三平均一二三平均一二三平均注：H为氢，D为氘，为同位素位移在一组测量中，由于正负偏差出现的机会相等，因此在最佳的代表组中，所有