近代物理试验-氢原子光谱

1、近代物理实验一一氢原子光谱实验简介光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结 构的一种重要方法.1885年巴尔末总结了人们对氢光谱的测量结果，发现了 氢光谱白规律提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建 立提供了坚实的实验基础.1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而 变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素一一笊的存在. 通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一 成为检验原理论可靠性的标准和测量其它基本物理常数的依据.原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础Johannes Rober 1825 18

2、98 瑞士数学兼物理学家Rydberg Johann Jakob Balmer18541919瑞典物理学家、数学家，光谱学的奠基人之一实验目的.测量氢原子光谱中巴尔末线系的几条谱线的波长，并将在空气中的波长 修正为真空中的波长。.测量计算各谱线的里德伯常数RH,并求其平均值或用线性拟和的方法求 出RH。.学习多功能组合光谱仪的使用。三、实验原理在量子化的原子体系中，原子能量状态 E1，耳 为一系列分立的值，原子的每一个能量状态称为原子的一个能级。原子的最低能级称为原子的基态，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 名，频率

3、为y ,高能级为旦，低能极为e2 一匕=h、= e2 - - = 2121h由于原子能级是分立的，所以原子由高能级向低能级跃迁时，会发射一些特定频率的光子，在分光仪上表现为一条条分立的光谱线，称为线状光谱”或 原子光谱”。波长九的倒数是波数，它的值由巴耳末公式决定。对于 H原子有式中RH为H原子的里德伯常量，RH =1.096776x107m-1o当小=1, n2 =2, 3, 4时，所对应的线系为赖曼系，位于紫外光区；当n1=2, n2 =3,4, 5时，为巴耳末系，大部分在可见光区；n1 =3, 4, 5等其他线系均在红外区。电子能纺波长M 红外范围 可见光范围 紫外范圉 I H I 1

4、y J, msGao加绿蓝也 1 l,L .卜图2-1-1氢原子的核外电子跃迁和产生的谱系图可见区紫外光区四、实验仪器CCD接收单元,WGD-8/8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅多色仪, 子信号处理单元，A/D采集单元和计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光源第色仪CCD图2-1-2 实验装置图光电倍增管接收器CCD接收系统入射狭缝110879图2-1-3 WGD-8/8A多功能光栅光谱仪电箱正视图2 图2-1-2 WGD-8/8A多4能光栅为谱仪外形图61负高压调节25通讯指示6单色仪电缆线10负高压指示 3 USB 电源指示 4 工作指示电源开关 7 USBM

5、号线8CCDt缆线9光电倍增管电缆线SiS3图2-1-4 多色仪光路图S1-入射狭缝S2-CCD感光平面S3-观察窗M1-平面反射镜M2-准光镜M3-物镜M4-可旋转平面镜G-平面衍射光栅入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围 0-2mm连续可调，光源发出的 光束通过入射狭缝S1,经平面镜M1反射后，被凹面镜M2反射为平行光束投向 平面光栅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M3反射，成像在CCD感光平面所在的焦面S2上，还可以由可旋 入的平面镜M4反射到观察窗S3或出射狭缝上。五、实验内容(1)用He灯谱线作为一支波长测量的定标。(2)观测并记录氢光谱。

6、2.数据处理1).测量氢原子光谱中巴尔末线系的几条谱线的波长，并将在空气中的波长修正 为真空中的波长计算时，应该用氢谱线在真空中的波长，而实验是在空气中进行的应将空气 中的波长转换成真空中的波长。即 入真空=入空气+ A入波长(nm)656.279486.133434.046410.173颜色红深绿青紫5 人(nm)0.1810.1360.1210.1162).测量计算各谱线的里德伯常数 RH,并求其平均值或用线性拟和的方法求出RH。nB = B n =3,4,51，n - 4式中入为氢原子谱线在真空中的波长3 3 364.56 2 nm, n =3,4,5, |B=364.56 为一经验常数

7、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark20 o Current Document n“ 一 2”里德伯将此式改写成用波数表示的形式 i _ r i i、/ = 丁 = %至一 n = 3,4,5, HI212nlR=1.096776 107 m-1七、注意事项.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。.氢灯等放电管都用了高压电源，使用时务必注意安全。.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。.实验中应采取防噪声和干扰的措施。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。八、实验思考题.光栅光谱仪波长示值的修正为什么要用汞灯？.试分析氢原子谱线较少的原因。.里德伯常数有什么物