氢原子光谱的观察与测定

1、.实验5-10 氢原子光谱的观察与测定每一种原子都有其特定的线状光谱。光谱分析是鉴别物质成分及物质含量的有效手段。氢原子的光谱最为简单，且具有明显的规律。测定氢原子可见光谱线的波长对认识原子的分离能级、以及光谱规律有重要作用。本实验用读谱仪测量氢原子可见光谱的波长，并通过巴耳末公式推算出氢原子的里德伯常数。【实验目的】1观察氢原子的可见光谱。2了解读谱仪的结构，掌握读谱仪的调节与使用方法。3通过测量氢原子可见光谱线的波长，验证巴耳末公式。4测定氢原子的里德伯常数。5理解曲线拟合法的意义。【实验器材】WPL-2型读谱仪、氢灯、氦氖灯、会聚透镜。【实验原理】一、氢原子光谱线公式氢原子光谱的实验公式

2、为 （5-10-1）式中的叫做里德伯常数，其实验值为。氢原子光谱系如表5-10-1。表5-10-1 氢原子光谱1234562、3、···3、4···4、5、···5、6、···6、7、···7、8、···谱系名赖曼巴耳末帕邢布喇开普芳德···区段紫外可见红外红外远红外···极限波长/nm()91.13364.51820.141.4581032.278103&

3、#183;··玻尔认为，氢原子之所以发光，是因为氢原子中的电子可以处在不同的能态（能级）上，当电子从高能级向低能级跃迁时，就发出光线。玻尔推出了氢原子光谱的理论公式 （5-10-2）里德伯常数的理论值为。本实验测定在可见光谱内巴耳末系的氢红线（对应）的波长。二、曲线拟合法在式（5-10-1）和式（5-10-2）中，不同的对应不同的线系，不同的对应同一线系中不同的谱线。注意到谱线位置的测量值是相对的，所以必须用已知波长的谱线作为基准。在本实验中的基准是氦氖灯的谱线。实验方法是先分别通过目镜观察氦氖谱线和氢谱，然后用读数显微镜测出氢红谱线（波长为）及其两侧近邻的（已知波长分别为

4、和）氦氖谱线的位置、和。假定波长与位置间呈线性关系，由式（5-10-3）可算出，如图5-10-1所示。图5-10-1 （5-10-3）很明显，由式（5-10-3）求出的波长是不准确的，因为实际上光谱线的波长和位置并不成线性关系。假定谱线位置与波长间满足 （5-10-4）如果知道、三个常数，则位置与波长就一一对应。为决定这三个常数，要采用最小二乘法。其基本思想是选取常数使由式（5-10-4）决定的曲线离已知的点的距离最近，如图5-10-2所示。计算机拟合曲线的步骤是：（1）预先设定某一值。（2）根据实验数据和（1、2、3、4、5），计算中间变量。图5-10-2（3）对和作线性回归，求出系数及常数

5、，同时求出。（4）对不同的值重复上述步骤，比较所得的值，最后用逐次逼近法求出一个，使取最小值。（5）即为所求函数。根据棱镜色散参数及摄谱仪结构参数进行具体的计算表明，在可见光范围内，当时，拟合过程本身所产生的附加误差不大于位置读数偏差所对应的误差分量，也就是说拟合方法本身所产生的附加误差可以忽略不计。【实验内容】1中心波长调节中心波长调节就是棱镜位置调节。为了在读谱时能将在可见光范围内的氢谱线清晰读出，则要将固定波长的谱线置于看谱管的中间，称为中心波长，使之与看谱管视场内的小指针对齐。本实验的中心波长采用汞谱中谱线。点燃汞灯，打开狭缝，移动会聚透镜，使汞灯成像在狭缝上。旋转波长鼓轮，当波长鼓轮

6、转到435刻线时，调整恒偏棱镜的位置，在看谱管视场内小指针尖端指在时压紧恒偏向棱镜。（此步骤实验室已调好）图5-10-32观察氦氖光谱。点燃氦氖灯，调整会聚透镜的位置，聚焦于狭缝附近，调整灯位置，使灯像与狭缝重合。从测目镜中观察氦氖谱线，调整会聚透镜的位置使谱线最清晰。3转动测微目镜鼓轮，使主尺位于附近。微调测微目镜倾角，使十字叉丝交点位于红光谱区。4把氦氖灯换成氢灯，调节测微目镜倾角使氢红线清晰，把十字叉丝交点对准氢红线。5再换成氦氖灯，依次纪录氢红线左侧1、2谱线（波长、已知，见表5-10-2）位置、。谱线位置如图5-10-3所示。（注意：测位置时使鼓轮从左向右沿一个方向转动，以消除空程差

7、）6再换成氢灯，测出氢红线位置。（此时测，就是为防止鼓轮倒转）7再换成氦氖灯，依次纪录氢红线右侧3、4、5谱线（波长、已知，见表5-10-2）位置、。8重复测量三次。把测量结果填入表5-10-2中。【数据处理】表5-10-2氦氖谱线序号波长位置第一次第二次第三次1667.82762659.89533653.28804650.65305640.2250氢红谱线位置波长1利用计算机算出氢红线波长、。求出平均值，填入表5-10-2中。2求真空中氢红线的波长（空气的折射率）。3求里德伯常数。把代入式求得，并与公认值相比较，并求出相对误差。【思考题】1在可见光范围内可以观察到几条氢原子谱线？（已知可见光

8、的波长范围是455780nm）图5-10-4 实验装置1目镜 2出射物镜 3恒偏向棱镜 4入射物镜 5入射狭缝 6会聚透镜 7光源 8平行光管系统 9色散系统 10接收系统2为什么测位置时要使鼓轮从左向右沿一个方向转动？3对氦氖谱线位置的测定在本实验中起什么作用？【仪器介绍】WPL-2型读谱仪装置简图如图5-10-4所示。读谱仪是由棱镜摄谱仪改进设计而成。它是利用棱镜分光来观察光谱的光学仪器。其结构大致可以分为三部分：平行光管系统、色散系统、接收系统。（1）平行光管系统平行光管系统包括入射狭缝和入射物镜。入射物镜的作用是使入射狭缝发出的光线变成平行光，所以入射狭缝应放在入射物镜的焦平面上。（2）色散系统色散系统实际上就是一个恒偏向棱镜，如图5-10-5所示。它的作用是将光束分解，使不同波长的单色光束沿不同的方向射出。符合最小偏向角条件的单色光，其入射光束和出射光束的夹角为900。图5-10-5（3）接收系统接收系统由出射物镜及放在该物镜焦平面上的目镜组成。不同方向的单色光束经出射物镜聚焦，在其焦平面上得到连