氫氘燈光譜 實驗報告材料

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1、word 氫氘燈光譜實驗報告 【實驗目的】 1. 了解平面光柵單色儀的結構與使用方法。 2. 驗證氫同位素的存在。用光柵光譜儀測量氫、氘原子光譜巴耳末線系的前四對譜線波長（4100～6500左右），計算氫氘里德伯常數。 3. 通過實驗，計算氫和氘的原子核質量比 ,計算質子與電子的質量比。 【實驗原理】 1. 氫、氘原子光譜 氫原子光譜是最簡單、最典型的原子光譜。用電激發(fā)氫放電管（氫燈）中的稀薄氫氣（壓力在102 Pa左右），可得到線狀氫原子光譜。瑞士物理學家巴爾未根據實驗結果給出氫原子光譜在可見光區(qū)域的經驗公式 = 式中為氫原子譜線在真空中的波長，＝364.57 n

2、m 是一經驗常數；n取3,4,5等整數。 若用波數表示，則變?yōu)? ==() 式中稱為氫的里德伯常數。 根據玻爾理論，對氫和類氫原子的里德伯常數的計算，得 = 式中M為原子核質量，m為電子質量，e為電子電荷，c 為光速，h 為普朗克常數，為真空介電常數，Z為原子序數。 當時，可得出相當于原子核不動時的里德伯常數（普適的里德伯常數） 所以 對于氫，有 這里是氫原子核的質量。 由此可知，通過實驗測得氫的巴爾末線系的前幾條譜線的波長，可求得氫的里德伯常數。 里德伯常數是重要的基本物理常數之一，對它的精密測量在科學上有重要意義，目前它的推薦值為 =109

3、73731.568549(83) 氫的巴爾末線系波長 譜線符號 波長(nm) 658.280 486. 434.047 410.174 397.007 388.906 383.540 379.791 377. 375.015 值得注意的是，計算和時，應該用氫譜線在真空中的波長，而實驗是在空氣中進行的，所以應將空氣中的波長轉換成真空中的波長。即真空=空氣＋，氫巴爾末線系前6 條譜線的修正值如表所示。 波長修正值 氫譜線 0.181 0.136 0.121 0.116 0.112

4、 0.110 2. 關于/ 同一元素的不同同位素且有不同的核質量和電荷分布，由此引起原子光譜波長的微小差別稱為“同位素位移”。一般來說，元素光譜線同位素位移的定量關系是很復雜的，只有像氫原子這樣的系統(tǒng)，同位素位移才可以用簡單的公式計算。氫原子核是一個質子，其質量為，氘核比氫核多一個中子，其質量為。由(2.5-6)式可知氘原子的里德伯常數為 由(2.5-7)式和(2.5-6)式可知氘氫原子核的質量比 對于巴爾末線系，氫和氘的譜線計算公式分別為 ==() 對于相同的n，由(2.5-9)式和(2.5-10)式可得氫和氘的同位素位移為 【實驗儀器用具】

5、WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀、接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元、計算機組成。如圖2.5-2 所示。入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度圍0 ~ 2.5 mm連續(xù)可調，光源發(fā)出的光束進入入射狹縫S1，S1位于反射式準光鏡M2的焦面上，通過S1入射的光束經M2反射成平行光束投向平面光柵G 上，衍射后的平行光束經物鏡M3成像在S2上和S3上，通過S3可以觀察光的衍射情況，以便調節(jié)光柵；光通過S2后用光電倍增管接收，輸入計算機進行分析。 在光柵光譜僅中常使用反射式閃耀光柵。如圖所示，鋸齒形是光柵刻痕形狀。現考慮相鄰刻槽的相應點上反射的光線。PQ 和P’Q’是以I

6、角入射的光線。QR 和Q’R’是以I ' 角衍射的兩條光線。PQR和P’Q’R’兩條光線之間的光程差是，其中b 是相鄰刻槽間的距離，稱為光柵常數。當光程差滿足光柵方程 ，k=0,±1,±2,… 時，光強有一極大值．或者說將出現一亮的光譜線。 對同一k ．根據I , I’ 可以確定衍射光的波長，這就是光柵測量光譜的原理。閃耀光柵將同一波長的衍射光集中到某一特定的級K上。 為了對光譜掃描，將光柵安裝在轉盤上，轉盤由電機驅動，轉動轉盤，可以改變入射角I ，改變波長圍，實現較大波長圍的掃描，軟件中的初始化工作，就是改變l 的大小。改變測試波長圍。 【實驗容、實驗數據以及處理】 1.

7、 光電倍增管測 , 根據電腦輸出數據，得到譜線在空氣中的波長，將其修正為真空波長，修正公式為： =+ 根據公式 根據公式對氫光譜進行處理如下表 得到 =10958562.45 根據公式對氘光譜進行處理如下表 得到 =10961406.49 由公式 ,其中 =1836 。將、帶入，可以得到： N 3 4 5 6 1.81 1.71 2.05 2.05 2. CCD測量 N 3 4 譜線名稱 中心波長 656 485 通道橫坐標 863 842 1050 1038 654.428 654

8、.223 485.254 485.137 0.181 0.181 0.136 0.136 654.609 654.404 485.390 485.273 10998932.19 11002377.74 10987728.08 10990377.24 計算得到 =10993330.14 =10996377.49 根據公式，計算得到： n=3時，=2.35 n=4時，=1.79 【實驗中出現的問題以及思考題解答】 1. 注意事項 狹縫和寬度和電壓調整，電壓應該控制在500～1000之間，狹縫寬度應該控制到一定圍之，狹縫太窄會使得信號太弱難以尋峰，狹縫太寬會使得氫氘分裂間距小；要注意讓氫氘燈對準狹縫，否則可能會導致搜索不到光信號； 2. 誤差分析 實驗儀器產生的誤差；利用測出的數據檢峰時產生的誤差，可能會有峰不明顯造成的峰值讀取的誤差。 3. 氫氘光譜分裂間距的影響因素。 譜線分裂間距與狹縫的寬度有關。狹縫寬度越窄，通過的波長寬度約窄，譜線分裂越明顯，分裂間距越大。 在實驗中，為檢測到光信號，要控制狹縫不能太窄，否則信號太弱將無法檢測。所以要根據情況對狹縫寬度進行調整。 9 / 8