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1、word
氫氘燈光譜實(shí)驗(yàn)報(bào)告
【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?
1. 了解平面光柵單色儀的結(jié)構(gòu)與使用方法。
2. 驗(yàn)證氫同位素的存在。用光柵光譜儀測(cè)量氫、氘原子光譜巴耳末線系的前四對(duì)譜線波長(zhǎng)（4100～6500左右），計(jì)算氫氘里德伯常數(shù)。
3. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算氫和氘的原子核質(zhì)量比 ,計(jì)算質(zhì)子與電子的質(zhì)量比。
【實(shí)驗(yàn)原理】
1. 氫、氘原子光譜
氫原子光譜是最簡(jiǎn)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(xué)家巴爾未根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出氫原子光譜在可見(jiàn)光區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)公式
=
式中為氫原子譜線在真空中的波長(zhǎng)，＝364.57 n
2、m 是一經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；n取3,4,5等整數(shù)。
若用波數(shù)表示，則變?yōu)?
==()
式中稱為氫的里德伯常數(shù)。
根據(jù)玻爾理論，對(duì)氫和類氫原子的里德伯常數(shù)的計(jì)算，得
=
式中M為原子核質(zhì)量，m為電子質(zhì)量，e為電子電荷，c 為光速，h 為普朗克常數(shù)，為真空介電常數(shù)，Z為原子序數(shù)。
當(dāng)時(shí)，可得出相當(dāng)于原子核不動(dòng)時(shí)的里德伯常數(shù)（普適的里德伯常數(shù)）
所以
對(duì)于氫，有
這里是氫原子核的質(zhì)量。
由此可知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得氫的巴爾末線系的前幾條譜線的波長(zhǎng)，可求得氫的里德伯常數(shù)。
里德伯常數(shù)是重要的基本物理常數(shù)之一，對(duì)它的精密測(cè)量在科學(xué)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(zhǎng)
譜線符號(hào)
波長(zhǎng)(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(jì)算和時(shí)，應(yīng)該用氫譜線在真空中的波長(zhǎng)，而實(shí)驗(yàn)是在空氣中進(jìn)行的，所以應(yīng)將空氣中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成真空中的波長(zhǎng)。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(zhǎng)修正值
氫譜線
0.181
0.136
0.121
0.116
0.112
4、
0.110
2. 關(guān)于/
同一元素的不同同位素且有不同的核質(zhì)量和電荷分布，由此引起原子光譜波長(zhǎng)的微小差別稱為“同位素位移”。一般來(lái)說(shuō)，元素光譜線同位素位移的定量關(guān)系是很復(fù)雜的，只有像氫原子這樣的系統(tǒng)，同位素位移才可以用簡(jiǎn)單的公式計(jì)算。氫原子核是一個(gè)質(zhì)子，其質(zhì)量為，氘核比氫核多一個(gè)中子，其質(zhì)量為。由(2.5-6)式可知氘原子的里德伯常數(shù)為
由(2.5-7)式和(2.5-6)式可知氘氫原子核的質(zhì)量比
對(duì)于巴爾末線系，氫和氘的譜線計(jì)算公式分別為
==()
對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過(guò)S1入射的光束經(jīng)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(jīng)物鏡M3成像在S2上和S3上，通過(guò)S3可以觀察光的衍射情況，以便調(diào)節(jié)光柵；光通過(guò)S2后用光電倍增管接收，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)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(xiàn)考慮相鄰刻槽的相應(yīng)點(diǎn)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(shù)。當(dāng)光程差滿足光柵方程
，k=0,±1,±2,…
時(shí)，光強(qiáng)有一極大值．或者說(shuō)將出現(xiàn)一亮的光譜線。
對(duì)同一k ．根據(jù)I , I’ 可以確定衍射光的波長(zhǎng)，這就是光柵測(cè)量光譜的原理。閃耀光柵將同一波長(zhǎng)的衍射光集中到某一特定的級(jí)K上。
為了對(duì)光譜掃描，將光柵安裝在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，可以改變?nèi)肷浣荌 ，改變波長(zhǎng)圍，實(shí)現(xiàn)較大波長(zhǎng)圍的掃描，軟件中的初始化工作，就是改變l 的大小。改變測(cè)試波長(zhǎng)圍。
【實(shí)驗(yàn)容、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及處理】
1.
7、 光電倍增管測(cè) ,
根據(jù)電腦輸出數(shù)據(jù)，得到譜線在空氣中的波長(zhǎng)，將其修正為真空波長(zhǎng)，修正公式為： =+
根據(jù)公式
根據(jù)公式對(duì)氫光譜進(jìn)行處理如下表
得到 =10958562.45
根據(jù)公式對(duì)氘光譜進(jìn)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(cè)量
N
3
4
譜線名稱
中心波長(zhǎng)
656
485
通道橫坐標(biāo)
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(jì)算得到
=10993330.14
=10996377.49
根據(jù)公式，計(jì)算得到：
n=3時(shí)，=2.35
n=4時(shí)，=1.79
【實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題以及思考題解答】
1. 注意事項(xiàng)
狹縫和寬度和電壓調(diào)整，電壓應(yīng)該控制在500～1000之間，狹縫寬度應(yīng)該控制到一定圍之，狹縫太窄會(huì)使得信號(hào)太弱難以尋峰，狹縫太寬會(huì)使得氫氘分裂間距??；要注意讓氫氘燈對(duì)準(zhǔn)狹縫，否則可能會(huì)導(dǎo)致搜索不到光信號(hào)；
2. 誤差分析
實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生的誤差；利用測(cè)出的數(shù)據(jù)檢峰時(shí)產(chǎn)生的誤差，可能會(huì)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(guān)。狹縫寬度越窄，通過(guò)的波長(zhǎng)寬度約窄，譜線分裂越明顯，分裂間距越大。
在實(shí)驗(yàn)中，為檢測(cè)到光信號(hào)，要控制狹縫不能太窄，否則信號(hào)太弱將無(wú)法檢測(cè)。所以要根據(jù)情況對(duì)狹縫寬度進(jìn)行調(diào)整。
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氫氘燈光譜 實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料
