光学多道实验报告

1、光学多道【摘要】本次实验利用光学多道分析仪，研究H的同位素光谱，了解H、D原子谱线的特点，学习光学多道分析仪的使用方法及基本的光谱学技术。本次实验首先利用CCD进行测量，利用氦的光谱作为标准对H光谱进行标定。之后利用光电倍增管进行扫频，观察H、D谱线分裂。利用所得谱线数据计算电子与质子质量比。关键词：H光谱、D光谱、CCD、光电倍增管1、 引言光谱学在众多物理学科中占有极为重要的地位、在其他学科中也有重要应用。光谱学史乃至近代物理学史上，氢光谱的实验和理论研究都占有特别重要的地位。1885年瑞士物理学家巴耳末就发现了可见光区H光谱波长的规律，即巴耳末公式，这些谱线构成的谱线系称为巴耳末系。由于

2、H原子和D原子的核外都只有一个电子，故光谱极为相似。但由于原子核质量不同，H、D对应的谱线的波长稍有差别，这种差别被称为“同位素位移”。本实验利用光学多道分析仪研究H的同位素光谱，了解H、D原子谱线的特点，学习光学多道分析仪的使用方法及基本的光谱学技术。2、 实验原理1.原子能级及巴耳末系 在量子化的原子体系中，原子能量状态为一系列分立的值，每一个能量状态称原子的一个能级。能量最低的状态称为原子的基态，高于基态的其余各能级称为原子的激发态。处于高能级的原子，总是会自发跃迁到低能级，并发射出光子。设光子能量为，频率为，高能级为，低能为 ，则 （公式1） （公式2）由于原子能级是分立的，

3、所以当原子由高能级向低能级跃迁时，会发出一些特定频率的光，这些光在分光仪上表现为一条条分立的谱线，称为“线性光谱”或“原子光谱”。这些频率由巴耳末公式确定。对H原子有 （公式3）式中是H原子的里德伯常量。当时，所对应的线系为赖曼系，位于紫外光区；当时，所对应的线系为巴耳末系，大部分位于可见光区；当时，处于其他线系，都在红外光区。2、 D原子的谱线与H类似，同位素D的巴耳末谱线系的公式为 （公式4）H和D的巴耳末系对应谱线的波长差为： ， （公式5）由上式可以看出，H、D的光谱之间的差别就在于它们的里德伯常量不同。这是因为二者的原子核结构不同。H核是质子，D核则由一个质子和一个中子构成的。忽略质

4、子与中子的质量的微小差别，则二者的里德伯常量可写为： （公式6）式中，R=109737.31cm-1，表示原子核质量无穷大时的里德伯常量，mp=1.6726485×10-27 kg,为质子和中子的质量,me=9.1093826×10-31kg为电子质量。由二同位素原子的里德伯常量之比可得 （公式7）因而有： （公式8）得到 （公式9）电子的静止质量为，比质子质量的两倍小约4个数量级，比忽略的中字质量还要小约1个数量级，因此，公式9中右侧分母中的电子质量完全可以忽略，由此可得 （公式10）从实验测得对应谱线的波长和波长差，即可由公式10得出电子和质子的质量比。三、实验内容实验

5、仪器：光学多道分析仪 光学多道分析仪，主要由光学多色仪，电荷耦合器件或光导摄像管、及带有专用微处理器组成的数据处理系统三部分组成，OMA是一种采用多通道方法检测和显示微弱光谱信号的光电子仪器，具有高灵敏度、高效率、瞬时宽光谱探测范围和时间分辨等优点。20世纪90年代以来，CCD技术走向民用，得到了极为迅速的发展，在光谱学中的应用越来越普遍。 本实验所用光学多道分析仪由光栅多色仪，CCD接受单元，电子信号处理单元，A/D采集单元和计算机组成。1.光栅多色仪图1 多色仪光路图 在像平面处有系列狭缝或矩形开口,可同时通过多个单色光的仪器叫做多色仪。利用光栅作为分光元件的多色仪成为光栅多色仪.

6、0; 图1所示是光栅多色仪的光路图。通过入射狭缝通过入射狭缝S1的光经平面镜M反射后，被凹面准光镜M反射为平行光投射到光栅G上。由于光栅的衍射作用，不同波长的光被反射到不同的方向上，再经凹面物镜M反射，成像在CCD感光平面所在的焦面S2上，或由可旋入的平面镜M反射到观察窗S3上。2.CCD光电探测器图2 CCD工作原理 CCD（电荷耦合器件）可以将光学图像转换为电学“图像”，即电荷量与该处照度大致成正比的电荷包空间分布，因此，它可以“同时”探测到空间分布的光信号。 我们实验所用的是具有2048个像元的线阵列CCD器件。感光像元将信号光子转变为信号电荷，并实现电荷的存储、转移和读出。其

7、工作原理图2。   CCD灵敏度受光二极管电荷最小可测变化的限制，并受热暗电流所造成的靶表面漏电的影响，还受放大器噪声的影响。OMA的分辨率主要决定于多色仪，如分光元件光栅的刻线条数，以及多色仪光程的长度，但也受CCD的限制，故其分辨率一般在0.010.1nm范围内。一次摄谱范围为22nm。 （1） 光电倍增管  光电倍增管是一种具有高灵敏度与超快响应时间的光探测元件，一般光电倍增管在其响应范围最佳的近红外光区到紫外光区，可以将只有数百个光子的光讯号转换为有用的脉冲电流，进而利用此脉冲电流来做讯号的分析。   光电倍增管是依据光电子发

8、射、二次电子发射和电子光学的原理制成的.光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速,聚焦于第一次极.这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子,它们再被聚焦在第二次极.这样，一般经十次以上倍增,放大倍数可达到 1081010。最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流；输出电流和入射光子数成正比，而整个过程时间约10-8秒。实验步骤： 1. 计算巴耳末线系对应谱线的波长2. 打开计算机，调试仪器3. 用CCD测量氢光谱4. 用光电倍增管计算氢氘光谱5. 关机4、 实验结果分析及讨论1. 根据公式估算氢的巴耳末线系对应谱线的波长表1：估算氢的巴耳末线系对应谱线的波长能级n3

9、456氢（nm）656.11486.01433.94410.072. 用CCD测量H谱线，并计算波数和里德伯常量表2：利用CCD测量H谱线及定标时辅助使用的氦谱线波长并计算波数和里德伯常量能级n3456H谱线测量值（nm）656.25486.18434.10410.13利用氦谱线（nm）653.29、659.90492.19、502.57438.79、443.74402.62、412.08波数()1523809.522056952.372303616.682438251.29里德伯常量()10971428.5410970412.6410969603.2410972130.81里德伯常量平均值：

10、3. 计算光谱项表3：光谱项计算能级n234562742723.451218988.20685680.86438835.75304747.054. 巴耳末线系中各谱线有关的氢原子能级图以光谱项的负值为纵坐标，以时的光谱项的值0为原点，用横线表示氢原子的能级，用n=3,4,5,到n=2的能级线间的箭号表示巴耳末线系中的光谱线对应的能级跃迁。并依次标做及相应的谱线在真空中的波长值。图3 能级跃迁图5. 分析影响分裂的因素氢氘谱线分裂间距的影响因素：由公式可以看出分裂间距与氘谱线波长成正比在实验操作过程中，谱线分裂间距还与狭缝的宽度有关：狭缝宽度越窄，通过的波长宽度越窄，谱线分裂越明显，体现出其分裂间距越大。6. 质子与电子质量比表4：计算能级n3456（nm）656.25486.18434.10410.13修正（nm）656.05486.05433.99410.0（nm）0.200.130.110.130.000609710.000534920.000506920.00063415平均值0.0057143理论值0.000545误差4.6%5、 实验结论与建议结论：本次实验利用光学多道分析仪，对H、D光谱进行了分析，并计算了。利用CCD进行测量时，利用氦标准光谱进行定标，得到能级n=3,4,5,6