氢氘灯光谱实验资料报告材料

1、氢氘灯光谱实验报告【实验目的】1. 了解平面光栅单色仪的结构与使用方法。2. 验证氢同位素的存在。用光栅光谱仪测量氢、氘原子光谱巴耳末线系的前四对谱线波长（41006500A左右），计算氢氘里德伯常数。3. 通过实验，计算氢和氘的原子核质量比Md / MH ,计算质子与电子的质量比【实验原理】1. 氢、氘原子光谱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102Pa左右），可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔未 根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式式中心为氢原子谱线在真空中的波长，州=364.57 nm是一经验常数；n取3,4,5 等整数。

2、若用波数勺#表示，则变为式中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，得式中M为原子核质量，m为电子质量，e为电子电荷，c为光速，h为普朗克常 数， 为真空介电常数，Z为原子序数。当WTQO时，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) 所以对于氢，有这里是氢原子核的质量。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，可求得氢的 里德伯常数。里德伯常数R纱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P I=10973731.568549(83)氢的巴尔末线系波长谱线符号波长(nm)658.280486.13343

3、4.0471如410.174397.007388.906383.540379.791377.063375.015值得注意的是，计算旳和心时，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6条谱线的修正值如表所示。波长修正值氢谱线0.1810.1360.1210.1160.1120.1102. 关于'/ '同一元素的不同同位素且有不同的核质量和电荷分布，由此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，只有像氢原子这样的系统，同位素位移

4、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 H，氘核比氢核多一个中子，其质量为“D。由 (2.5-6)式可知氘原子的里德伯常数为由(2.5-7)式和(2.5-6)式可知氘氢原子核的质量比对于巴尔末线系，氢和氘的谱线计算公式分别为亠 15=石1 1（应 _7）对于相同的n，由(2.5-9)式和(2.5-10)式可得氢和氘的同位素位移为【实验仪器用具】WGD-8型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元、计算机组成。如图2.5-2所示。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度围0 2.5 mn连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝 S1,S1位于反

5、射式准光镜M2的焦面上，通过S1入射的光束经M2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 M3成像在S2上和S3上，通过S3可以观察光的衍射情况，以便调节光栅；光通过S2后用光电倍增管接收，输入Rf计算机进行分析在光栅光谱仅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。PQ和P' Q'是以I角入射的光线。QR和Q' R'是以I '角衍射的两条光线。PQR和P' Q R两条光线之间的光程差 是风抽"+曲】,），其中b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 _白心

6、+血）=纠，k=0, ± 1, ± 2,时，光强有一极大值.或者说将出现一亮的光谱线。对同一 k 根据I , I '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的衍射光集中到某一特定的级 K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I ,改变波长围，实现较大波长围的扫描，软件中的初始化工作，就是 改变I的大小。改变测试波长围。【实验容、实验数据以及处理】1. 光电倍增管测Rh ,RD根据电脑输出数据，得到谱线在空气中的波长空气，将其修正为真空波长真空，修正公式为： 真空=空气+丄/）根据公式 Hrd（2

7、 活）D 2 n根据公式对氢光谱进行处理如下表n谱线符号空气真空/ nm1 RH3H656.310.181656.49110967400.924H486.450.136486.58610960720.895H434.590.121434.71110954185.116H410.770.116410.88610951942.87平均值10958562.45得到 Rh = 10958562.45根据公式对氘光谱进行处理如下表n谱线符号空气真空/ nmRH3D656.150.181656.33110970074.554D486.340.136486.47610963199.285D434.470.1

8、21434.59110957209.796D410.650.116410.76610955142.34平均值10961406.49得到 RD = 10961406.49由公式MHi( hD赢/m,其中Mh/m=1836。将H、D带入，可以得到:N3456MD / M1.811.712.052.052. CCD测量N34谱线名称HDHD中心波长656485通道横坐标86384210501038空气654.428654.223485.254485.1370.1810.1810.1360.136真空654.609654.404485.390485.273Rh（d）10998932.1911002377.7410987728.0810990377.24计算得到Rh =10993330.14Rd =10996377.49根据公式普1 （h/T，计算得到:n=3 时，MD / MH =2.35 n=4 时，Md / MH =1.79【实验中出现的问题以及思考题解答】1. 注意事项狭缝s1和s2宽度和电压调整，电压应该控制在 5001000之间，狭缝宽度应 该控制到一定围之，狭缝太窄会使得信号太弱难以寻峰， 狭缝太宽会使得氢氘分 裂间距小；要注意让氢氘灯对准狭缝，否则可能会导致搜索不到光信号；2. 误差分析实验仪器产生的误差；利用测出的数据检峰时产生的误