光学多道和氢氘同位素光谱
近代物理实验思考题答案
近代物理实验思考题答案【篇一：近代物理实验练习题参考答案】txt>一、填空1.核物理实验探测的主要对象是核衰变时所辐射的度非常小，用最先进的电子显微镜也不能观察到，只能根据射线与物质相互作用产生的各种效应实现探测。
2.用百分比表示的能量分辨率定义为： r?最大计数值一半处的全宽度?v?100％。
能量分辨率值峰位置的脉冲幅度v0越小，分辨能力越强。
3.?有三种，它们是光电效应、康普顿效应和电子对效应。
4.对于不同的原子，原子核的质量不同而使得里德伯常量值发生变化。
5.汞的546.1nm谱线的塞曼分裂是反常塞曼效应。
6.由于氢与氘的能级有相同的规律性，故氢和氘的巴耳末公式的形式相同。
7.在塞曼效应实验中，观察纵向效应时放置1/4波片的目的是将圆偏振光变为线偏振光。
8.射线探测器主要分“径迹型”和“信号型”如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、火花室等。
这些探测器大多用于高能核物理实验。
信号型探测器则当一个辐射粒子到达时给出一个信号。
根据工作原理的不同又可以分成气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种，这是我们在低能核物理实验中最常用的探测器。
9.测定氢、氘谱线波长时，是把氢、氘光谱与铁光谱拍摄到同一光谱底片上，利用线性插值法来进行测量。
10.在强磁场中，光谱的分裂是由于能级的分裂引起的。
11.原子光谱是线状光谱。
12.原子的不同能级的总角动量量子数j不同，分裂的子能级的数量也不同。
13.盖革－弥勒计数管按其所充猝灭气体的性质，可以分为①有机管和②卤素管两大类。
坪特性是评价盖革－弥勒计数管的重要特性指标。
包括起始电压、坪长、坪斜等。
一只好的计数管，其坪长不能过短，对于③有机管，其坪长不能低于150伏，对于④卤素管，其坪长不能低于50伏。
坪斜应在⑤0.1----0.01%每伏___以下。
计数管工作时工作点应选在坪区的⑥左1/3-1/2__处。
14.由于光栅摄谱仪的色散接近线性，所以可以使用线性插值法测量光谱线波长。
氢氘光谱实验PPT
物理实验教学中心 2017.01.18
实验目的 理解如何用原子光谱方法分析同位素。 了解光栅光谱仪的基本构造，掌握光栅光谱仪测 量光谱的方法。 测算氢氘巴尔末线系前四条谱线的波长、里德伯 常数，并计算氢氘的质量比。
氢原子光谱
n2=5
莱曼系 n2=1 n1=2,3,4,5…
原子核 电子
2M R D R 2 M m
R 为将核的质量视为无穷大(即假定核固定不动)时的里德伯常数。
1 1 H D R R H D
1 1 2 n2 2
M m 2M m 2M m M 1 2M
(10 9 s ) 可以用来测量
快速的光脉冲过程。光电倍增管是光谱工作中最常用的光电器件之一。
实验仪器
电源
氢氘灯
光电倍增管
光谱仪
汞灯
实验仪器
数据采集器 电源
光电倍增管
汞灯
氢氘灯
光谱仪
实验过程和实验报告要求
1.仔细阅读实验操作板，理解实验原理和仪器使用方法。 2.使用光谱仪测量汞灯光谱，记录汞灯谱线位置。 3.使用光谱仪测量氢氘光谱各个谱峰位置，放大后记录氢氘谱峰数据。 4.实验报告要求使用汞灯谱线测量数据与标准数据参考拟合，获得转换 关系方程。 5.将实验测量得到的氢氘光谱数据代入该方程式中，获得近似标准氢氘 谱线数据。 6.计算氢氘谱线的里德伯常数、氢氘核质量比和质子电子质量比。 7.思考题和实验总结。
同位素位移
由于同一元素的不同同位素，它们原子核所拥有的中子数不同，引起原 子核质量差异和电荷分布的微小差异，而引起原子光谱波长的微小差别称为 “同位素位移”。 氢原子核是一个质子，其质量为M，氘核比氢核多一个中子，其质量近 似为2M。氢原子与氘原子的里德伯常数分别为:
多道光谱仪测光谱并光谱分析实验报告
近代物理实验实验报告实验课题：使用光学多道测量光谱与光谱分析班级：物理学061姓名：任军培学号：06180130指导老师：方允樟2008年11月21日一、摘要：本实验通过使用光学多道测量光谱了解和学会使用光学多道分析仪，并学会了通过光学多道分析仪分析氢、氮、氦、氖等光谱。
测量了氢光谱的巴尔末系中Hα、Hβ，Hγ，Hδ四种谱线的波长和里德伯常数。
二、关键词：光学多道分析器里德伯常数光谱三、引言：常用的光谱涉及的波段从X射线，紫外线，可见光，红外线，微波到射频波段。
所以光谱技术是研究物质微观结构的重要手段，它被广泛地应用于医学，生物，化学，地质考古，冶金等许多场所。
光谱实验的数据为了解原子、分子和晶体等精细结构提供了重要依据。
而光学多通道分析器是用平面光栅衍射的方法获得多级衍射光的仪器，用它可对给定波长范围的单色光进行光谱分析，与单缝，双缝衍射相比，平面光栅衍射具有衍射本领大，衍射光线亮，分辨率高等特点。
因而在特征谱线分析中有着广泛的应用。
本实验通过测量各种气体灯光的原子在可见光波段的发射光谱使大家了解光谱与微观结构（能级）间的联系和学习光谱测量的基本方法。
四、正文：1、实验原理衍射包括单缝衍射，双缝衍射和光栅衍射。
它们都可用来测量光波的波长，但由于单缝衍射，双缝衍射在各级衍射的分辨率与亮度存在矛盾，而光栅正好解决了两者间的矛盾，所以实验中大多采用平面光栅来做实验。
光栅一般分两类，一类是透射式(见图1)，另一类是反射式(见图2)。
透射式光栅是在一块平面透明的玻璃板上刻上平行，等间距又等宽的直痕，刻痕部分不透光，两刻痕间能透光，相当于狭缝。
相邻刻痕间的距离d称为光栅常数。
反射式光栅是在镀有金属层的表面上刻划斜的平行等间距刻痕，斜面能反射光。
本实验用反射式平面光栅。
图1平面透射光栅图2平面反射光栅利用现代电子技术和计算机技术接收和处理某一波长范围内光谱信息的光学多通道分析与检测系统的基本框图如图3所示。
光学多道实验报告
光学多道与氢、氘同位素光谱武晓忠201211141046（北京师范大学2012级非师范班）指导教师：何琛娟实验时间：2014.9.16摘要本实验通过光学多道分析仪来研究了H、D的光谱，观察并了解了H、D原子谱线的特征。
H和D的光谱非常相似，但是二者的巴尔末系的同一能级的光谱之间仍有波长差，用光电倍增管可以测量出这个差值。
通过实验我们也学习了光学多道分析仪的使用和基本光谱学技术关键词光学多道H、D光谱1、引言光谱是不同强度的电磁辐射按照波长的有序排列，而原子光谱是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱。
由于氘原子和氢原子核外都只有一个电子，只是里德伯常量有一些差异，因此对应的谱线波长稍有差别。
我们可以在实验中通过测出对应的谱线λ和Δλ来得到二者的里德伯常量和电子与质子的质量比。
2、原理2.1 物理原理可知原子能量状态为一系列的分立值，有一系列的能级，并且当高能级的原子跃迁到低能级的时候会发射光子。
设光子能量为ε，频率为ν，高能级为E2，低能级为E1，则有：ε= hν=E2-E1 （1）从而有ν=E2−E1（2）h由于能量状态的分立，发射光子的频率自然也分立，这些光会在分光仪上表现为分立的光谱线，也就是“线状光谱”。
根据巴尔末公式，对氢原子有1λH =R H(1n12- 1n22) （3）R H为氢原子的里德伯常量。
当n1=2, n2=3,4,5,····时，光谱是巴尔末系，在可见光区域。
对氘原子，同样有1λD =R D(1n12- 1n22)（4）R D是氘原子的里德伯常量，当n1=2, n2=3,4,5,····时，光谱是巴尔末系。
则Δλ =λH-λD= (1R H - 1R D) (122- 1n2)，n=2,3,4, (5)若忽略质子和中子的细微差别，我们可以得到H、D的里德伯常量关系为：R H=R∞m pm p+m e , R D=R∞2m p2m p+m e（6）又知R∞=109737.31cm−1，它是原子核质量为无穷大时候的里德伯常量则1 R H =2（m p+m e2m p+m e）1R D（7）1 R H - 1R D=m e2m p+m e1R DΔλ=m e2m p+m e [1R D∗1/(122- 1n2)]=m e2m p+m eλD（8）由于m e≪m p，则ΔλλD ≈m e2m p（9）因此只要在实验中测出对应谱线λ和Δλ即可得电子和质子质量比。
光学多道与氢氘同位素光谱
光学多道与氢氘同位素光谱
首先，光学多道谱仪是一种用于测量光谱的仪器。
它通过将光分散成不同波长的组成部分，并将其定量地记录下来，从而提供了有关光的能量分布和波长特性的信息。
光学多道谱仪通常由光源、入射系统、分光系统、检测器和数据处理系统等组成。
它可以用于研究物质的吸收、发射、散射等光学性质，从而揭示物质的结构和特性。
氢和氘是两种同位素，它们的原子核中分别含有一个质子和一个中子，或一个质子和两个中子。
由于氢和氘的核结构不同，它们的光谱特性也有所不同。
氢氘同位素光谱研究主要关注氢和氘在光谱中的吸收、发射、散射等现象，以及它们与其他物质相互作用的过程。
在研究氢氘同位素光谱时，可以使用光学多道谱仪来记录氢和氘的光谱信息。
通过测量氢氘光谱的特征峰的位置、强度和形状等参数，可以获得有关氢氘同位素的结构、能级和相互作用等信息。
这对于理解原子和分子的性质、反应机制以及物质的动力学过程具有重要意义。
此外，研究氢氘同位素光谱还可以应用于其他领域。
例如，在
天文学中，通过观测氢氘同位素的光谱可以研究星系、星际介质和
宇宙的演化过程。
在化学和生物化学中，氢氘同位素标记技术被广
泛应用于研究分子结构、代谢途径和药物代谢动力学等方面。
总结起来，光学多道与氢氘同位素光谱是一个涉及到光学和原
子物理的研究领域。
通过使用光学多道谱仪来记录氢氘光谱的信息，可以获得有关氢氘同位素的结构、能级和相互作用等重要信息。
这
对于理解物质的性质、反应机制以及宇宙的演化过程具有重要意义。
氢氘光谱
实验五 氘原子光谱一.实验目的1.了解造成光谱的同位素移位的原因。
2.了解利用氢原子光谱的同位素移位测量质子与电子质量比的原理。
3.学会使用多功能光栅光谱仪。
二.实验器材氢氘灯 多功能光栅光谱仪 三．实验原理同位素是英国人索迪于1911年开始使用的。
1919年英国物理学家阿斯顿（F. W. Aston ）制成了用来分离不同质量并测定粒子质量的粒子质谱仪，把研究同位素的方法提高了一大步。
阿斯顿利用质谱仪在71种元素之中，陆续找到了202种同位素之多，这为我们认识同位素，开始积累了大量资料。
为了寻找氢的同位素，人们前后用了十几年的时间，而没有得出肯定的结果。
1931年初，有人从理论上推导，认为应该有质量数为2的氢同位素存在，并且估算出2H:1H=1:4500的比例。
1931年年底，美国哥伦比亚大学的尤里教授和他的助手们，把四升液态氢在三相点14°K 下缓慢蒸发，最后只剩下几立方毫米液氢，然后用光谱分析。
结果在氢原子光谱的谱线中，得到一些新谱线，它们的位置正好与预期的质量为2的氢谱线一致，从而发现了重氢（deuterium ），即氘，符号D 。
自然界中许多元素都存在同位素，它们的原子核具有相同数量的质子，但中子数不同，在谱线上，同位素对应的谱线会发生移位，称同位素移位。
移位大小与核质量有关：核质量越轻，移位效应越大，因此氢具有最大的同位素移位。
据玻尔理论，原子的能量是量子化的，即具有分立的能级；当电子从高能级跃迁到低能级时，原子释放出能量，并以电磁波形式辐射。
氢与类氢原子的巴耳末系对应光谱线波数为)121()1()4(22230442nm m c h Z e m z e e -+=πεπσ则类氢原子的里德伯常数可写成()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=z e e Z mm c h Z e m R 1142320242πεπ∞→z m 即假定原子核不动，则有()ch z e m R e 32024242πεπ=∞因此有ze Z m m R R +=∞1R Z 随原子核质量m z 变化，对于不同元素或同一元素的不同同位素R Z 值不同，m z 对R z 影响很小，因此氢和它的同位素的相对波数很接近，在光谱上开成很难分辨的双线或多线。
近代物理实验报告2013--光学多道与氢氘光谱
光学多道与氢氘同位素光谱作者：北师南乡子 实验日期： 2013年9月 指导教师：王海燕 【摘要】本实验先利用CCD 光学多道系统，通过对已知波长的氦、氖光谱进行定标测量氢光谱巴耳末系的谱线，然后用单色仪测量氢氘同位素光谱，得到氢氘光谱的波长值；利用这些测得值计算出了氢、氘的里德伯常量分别为R H =109685.07cm -1和R D =109715.98cm -1，同时通过计算得出了质子与电子质量之比为/p e m m =1783.18，与理论值1836.15相比误差为2.88%。
关键词：光学多道 、CCD 、氢氘光谱、光电倍增管一、 引言光谱学在原子分子物理、天文物理、等离子体物理、激光物理和材料物理等物理学科中有重要作用。
纵观整个光谱学史，氢光谱的实验和理论研究都占有特别重要的地位。
在1885年，瑞士物理学家巴耳末就发现了巴耳末公式，即可见光区氢光谱谱线波长的规律。
1892年美国物理学家尤雷等发现氢的同位素氘（D ）的光谱。
氢原子和氘原子的核外都只有一个电子，故光谱极为相似，但由于原子核质量的不同波长也有所差别，这种差别就称为“同位素位移”。
本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研究氢氘光谱，了解其谱线特点， 并学习光学多道仪的使用方法及基本的光谱学技术。
二、 实验原理在原子体系中，原子的能量状态是量子化的。
用1E 和2E 表示不同能级的能量，ε表示跃迁发出光子的能量，h 表示波尔兹曼常量，ν表示光子的频率，对于原子从低能级到高能级的跃迁我们有：21h E E εν==-，其中21E E hν-=（1） 由于原子能级的分立，频率ν也为分立值，在分光仪上表现为一条条分立的“线性光谱”，这些频率由巴耳末公式确定：H 原子：2212111H H R n n λ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ （2） 其中1n 和2n 为轨道量子数，H R 为氢原子的里德伯常数。
当1n =2，2n =3，4，5……时，公式（2）对应氢原子巴耳末系。
光学多道与氢、氘同位素光谱.
近代物理实验报告[光学多道与氢、氘同位素光谱]学号：[201311141925]学生姓名：[张静]指导教师：[王海燕]实验时间：[2015年9月25日]摘要：本实验利用光学多道分析仪，以氦（He ）、氖（Ne ）为标准谱进行定标测量了氢光谱，并在此基础上用光电倍增管对氢、氘谱线进行分析，测出氢、氘在巴耳末线系的谱线波长，求出了氢、氘的里德伯常量分别为R H =109657.218cm -1，R D =109625.62cm -1，根据实验数据，画出了氢的巴耳末系跃迁能级图，最后通过计算得出电子与质子质量之比为m e /m p =0.000549,与理论值0.000545的相对误差为0.734%。
关键词：光学多道仪、CCD 光电探测器、光电倍增管、光栅多色仪、氢氘光谱一、引言光谱学是一门主要涉及物理学及化学的重要交叉学科，通过光谱来研究电磁波与物质之间的相互作用。
光谱是一类借助光栅、棱镜、傅里叶变换等分光手段将一束电磁辐射的某项性质解析成此辐射的各个组成波长对此性质的贡献的图表。
从19世纪中叶起实验光谱学一直是光谱学研究的重要课题之一。
氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家A.J.埃斯特朗探测出来的（光波波长的单位即以他的姓氏命名，1埃等于10-8厘米）。
此后的20年中，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。
1885年，从事天文测量的瑞士科学家J.J.巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子谱线的位置。
此后便把这一组线称为巴耳末系。
1889年，瑞典光谱学家J.R.里德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，它们都能满足巴尔末公式。
其中R 的值对于所有元素的线系都几乎相同，称为里德伯常数。
1892年，尤雷（H.C.Urey ）等发现氢(H)同位素——氘(D)的光谱。
氢氘原子核外都只有一个电子，光谱极为相似，但由于原子核质量不同，故其对应谱线波长稍有差别，即存在“同位素位移”。
氢氘光谱
实验内容：（1）打开光谱仪控制箱电源和微机电源，依据显示器上的提示，选择“光电倍增管”（光电倍增管的负高压分为手动调节和半自动调节两类），具体调节因测量光谱类别的不同而不同。
（2）阅读光栅光谱仪的使用说明书，理解光谱仪的工作原理和工作方式。
（3）选择合适的实验参数，获得Hg光谱。
（手动调节时负高压取380~520V左右，半自动时置为1~8），然后读取Hg光谱的峰值，并记录Hg光谱各标准波长值。
（4）谱线的定标和测量以Hg光谱为基准，进行波长测量值的修正。
可以做Hg光谱标准波长与其对应的测量波长的关系拟合图，从而获得对光谱仪测得的光谱波长的修正公式。
（5）选择合适的实验参数，获得氢氘光谱点燃氢氘灯，选择合适的工作状态，运行软件，获得氢氘巴尔末线系在可见光范围内的4对谱线（谱线波长在400nm~660nm之间），测量氢氘巴尔末线系在可见光范围内的各波长值；根据光谱波长修正公式，修正氢氘光谱波长值，计算里德伯常数值。
实验数据处理与分析：1.利用Hg光谱数据对光谱仪定标为了得到清晰准确的Hg光谱，实验中对光谱仪的相关参数设定如下：测量间隔：0.02nm光谱的起始波长：350.00nm 终止波长：600.00nm道址的最大值：1000.0 最小值：0.0光电倍增管的负高压：6光电倍增管的增益：1设定以上参数的光谱仪可以获得Hg光谱，由原始数据可得Hg光谱中各个峰值对应的谱线波长，同时与实验中给出的标准值比较，整理得下表一：表一：Hg光谱中各波峰对应谱线波长的实验测量值与标准值利用origin 可以做出Hg 光谱中各谱线波长的实验测量值与标准值的关系曲线，同时线性拟合就能得到该光谱仪测得的谱线波长的修正公式，从而对光谱仪定标。
其中做出的Hg 光谱中各谱线波长的实验测量值与标准值的拟合直线图见下图一：图一：Hg 光谱各谱线波长的实验测量值与标准值的拟合直线图350400450500550600350400450500550600谱线波长的测量值λ'(nm)谱线波长的标准值λ（n m）利用origin 自带的直线拟合功能可以得到该拟合直线的方程：Linear Regression for Data1: λ= A + B * λ’Parameter Value Error A -0.265840.04988B 1.00054 1.08928E-4所以由图一可以得到光谱仪测量修正公式为： 测得的谱线波长修正值'00054.126584.0λλ⨯+-= （1）（其中'λ为光谱仪测量得到的实验值）2.对氢氘光谱的测量和数据处理为了得到清晰准确的氢氘光谱，实验中对光谱仪的相关参数设定如下：测量间隔：0.01nm光谱的起始波长：405.00nm 终止波长：660.00nm 道址的最大值 ：1000.0 最小值 ：0.0 光电倍增管的负高压 ：6 光电倍增管的增益 ：2设定以上参数的光谱仪可以获得氢氘光谱，由原始数据可得氢氘光谱中各个峰值对应的谱线波长，同时利用之前测得的光谱仪测量修正公式----式（1）可以对每条谱线波长修正，将测量值与修正值整理得下表二：表二：氢氘光谱中各波峰对应谱线波长的实验测量值与修正值由表二可以发现，这八条谱线的波长可以分为四组相近的双线波长，由实验原理知每一组双谱线都由同一能级的氢与氘激发所产生的。
实验氢-氘原子光谱
实验氢-氘原子光谱原子光谱的测定与分析，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。
1885年巴尔末（J. J. Balmer ）总结出了氢光谱线的经验公式。
1913年玻尔（N. Bohr ），1925年，海森伯（W.Heisenberg ）建立起他们的理论都是建筑在原子光谱的测量基础之上的。
现在，无论在工业生产部门还是在科学研究领域，原子光谱的观察、测定和分析都是研究原子结构、物质分析的重要方法之一。
在物理学、化学化工、材料、生命科学领域内有广泛的实际应用。
一 实验目的1．掌握WPG-100型平面光栅摄谱仪的工作原理和使用方法，学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。
2．通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长（误差小于0.5Å），验证巴耳末公式并准确测出氢（氘）的里德伯常数。
3．测量氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。
二 实验原理1．原子的激发与辐射原子内部的不同能量状态称为能级。
处于基态的原子可以吸收能量而跃迁到较高的能量状态，这个过程称为原子的激发。
原子也可以从较高的能级退到较低的能级或基态而放出能量，如果放出的能量取辐射形式，那么放出的能量就成为一个光子的能量hv ，这个过程称为原子的辐射。
要使原子发光必须先将它激发，原子激发的方式通常分为碰撞激发和光激发两种。
具有一定能量的电子、原子、分子与某原子相碰撞而使后者激发称为碰撞激发；原子吸收一个光子引起的激发称为光激发，即光的吸收过程。
本实验采用碰撞激发，它又分为热激发和电场引起的碰撞激发两种形式，前者指在高温下各原子有较大的运动速度，相互碰撞而产生激发，本实验的铁光谱就是这种方式产生的。
电场引起的碰撞激发是带电粒子在电场作用下加速运动，与原子发生非弹性碰撞使原子激发，氢（氘）光谱就是采用这种方式产生的。
2．氢原子光谱的实验规律早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可用一个普通的公式表示，即⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2211~n mR v （1）其中：m 取1、2、3、4、5等正整数，每一个m 值对应一个光谱线系，如当m=2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n 取m+1、m+2、m+3、…等正整数，每一个n 值对应一条谱线；R 称为里德伯常数。
氢氘原子光谱
实验仪器
问题1：如何激发原子光谱？
高压放电
能级跃迁
原子辐射
问题2：如何测量波长？
WGD-6型光学多道分析器
准光镜
M2
M3
物镜
入射狭缝
S1
M1 反射镜 G 光栅 分光镜 M4
S2
S2
CCD
S3
出射狭缝
检索中心波长
问题3：如何定标波长？
汞灯主要光谱
紫色 △404.66 强 紫色△435.84 强 蓝绿色△491.60 强 绿色△546.07 强 黄色 △576.96 强 黄色△579.07 强
2、氢氘灯光强不足，注意调节聚焦，曝光时间， 狭缝宽度。去除背景光。
3、注意灯管高压，以防触电！
思考题：p73页第二题
谢 谢！
手动定标（内插法）
实验步骤 1、将中心波长调至480nm处，通过汞灯的三条光谱， 手动定标，测量出氢、氘的各三条光谱线的波长。
2、将中心波长调至590nm处，通过汞灯的三条光谱， 手动定标，测量出氢、氘的各一条光谱线的波长
3、数据处理得出 RH , RD , M D M H ，及不确定度。
注意事项 1、不能连续点击程序，易导致死机。
H
Hale Waihona Puke 364.56n2 n2
4
H
R
1 22
1 n2
nm
cm1
Rcm1
里德伯常量
3.玻尔能级跃迁理论
常量
原子核 质量
R
2 2me4
40 2 ch3 1 m
M
1 R 1 m
M
氢、氘原子光 谱波长测量
里德伯 常量
原子核 质量比
MD
氢氘光谱实验报告
实验目的：本实验旨在通过氢氘光谱的测量，研究氢和氘的光谱特性，探究原子光谱的发射线和吸收线规律。
实验装置：氢氘光谱仪：包括氢氘光源、光栅、光电倍增管等。
实验台：用于支撑和安装实验装置。
实验步骤：准备工作：确保实验装置正常工作，调整光栅的角度和位置，保证光线能够正常通过。
放置氢氘光源：将氢氘光源安装在适当位置，使得光线能够经过光栅。
调整光栅：通过调整光栅的角度和位置，使得光线经过光栅后能够产生衍射现象，并形成光谱。
测量光谱：使用光电倍增管接收经过光栅衍射的光线，并将光信号转换成电信号。
使用电子仪器记录和测量各个波长的光谱强度。
数据处理：根据实验测量的数据，绘制氢氘光谱图谱，并分析不同波长对应的光谱线。
实验结果：根据实验测量得到的数据，绘制了氢氘光谱图谱。
光谱图谱上显示了氢氘在不同波长处的发射线和吸收线。
通过对光谱的分析，可以观察到不同电子能级跃迁引起的特定波长的发射或吸收现象。
讨论与结论：通过本实验，我们观察到了氢氘的光谱特性，并绘制了光谱图谱。
根据光谱图谱分析，我们可以得出氢和氘的光谱线的规律和特点。
这些光谱线的存在与原子的能级结构和电子跃迁有关，进一步验证了原子光谱的发射和吸收现象。
实验中可能遇到的误差和改进方法：光栅调整误差：光栅的角度和位置调整可能存在误差，影响光谱的质量和精度。
可以通过精确的光栅调整和校准来改进。
光电倍增管的噪音和漂移：光电倍增管可能受到噪音和漂移的干扰，影响测量结果的准确性。
可以使用更高质量的光电倍增管或进行信号滤波和校正来改进。
总结：通过本实验，我们成功测量了氢氘的光谱特性，观察到了发射线和吸收线的存在，并对其进行了分析。
实验结果有助于进一步了解原子光谱的特点和原子结构的研究。
此实验对于深入理解光谱学和原子物理学有重要意义。
氢与氘原子光谱-4页
氢与氘原子光谱原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础．1885年，巴尔末（J.J.Balmer)根据人们的观测数据，总结出了氢光谱线的经验公式．1913年2月，玻尔（N.Bohr ）得知巴尔末公式后，3月6日就寄出了氢原子理论的第一篇文章，他说：“我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就清楚了．” 1925年，海森伯（W.Heisenberg ）提出的量子力学理论，更是建筑在原子光谱的测量基础之上的．现在，原子光谱的观测研究，仍然是研究原子结构的重要方法之一．20世纪初，人们根据实验预测氢有同位素．1919年发明质谱仪后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家由各种化合物测得为1.00799．基于上述微小的差异，伯奇（Birge ）和门泽尔（Menzel ）认为氢也有同位素2H （元素左上角标代表原子量），它的质量约为1H 的2倍，据此他们算得1H 和2H 在自然界中的含量比大约为4000 :1．由于里德伯（J.R.Rydberg ）常数和原子核的质量有关，2H 的光谱相对于1H 的应该会有位移．1932年，尤雷（H.C.Urey ）将3升液氢在低压下细心蒸发至1毫升以提高2H 的含量，然后将那1毫升注入放电管中，用它拍得的光谱，果然出现了相对于1H 移位了的2H 的光谱，从而发现了重氢，取名为氘，化学符号用Ｄ表示．由此可见，对样品的考究，实验的细心，测量的精确，于科学进步非常重要．本实验通过氢氘光谱的拍摄、里德伯常量和氘氢质量比的测定，加深对氢光谱规律和同位素位移的认识，并理解精确测量的重要意义．一、实验原理巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为nm 456.36422H -⨯=n n λ (1.6.1) 式中λH 为氢光谱线的波长，n 取3、4、5等整数．若改用波数表示谱线，由 λ1~≡v(1.6.2) 则式(1.6.1)变为122H cm )121(109678~--⨯=nv (1.6.3) 式中109 678 cm -1 叫氢的里德伯常量．由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子的光谱规律为 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=2221A A )(1)(1~z n z n R v (1.6.4) 上式的)1()4(2A 32042A M m ch me R +=πεπ (1.6.5) 是元素A 的理论里德伯常量，z 是元素A 的核电荷数, n 1，n 2为整数，m 和e 是电子的质量和电荷，ε0是真空介电常数，c 是真空中的光速，h 是普朗克常量，M A 是核的质量．显然，R A 随A 不同略有不同，当M A →∞时，便得到里德伯常量32042)4(2chme R πεπ=∞ (1.6.6) 所以，AA 1M m R R +=∞ (1.6.7) 应用到Ｈ和Ｄ有 HH 1M m R R +=∞ (1.6.8) D D 1M m R R +=∞ (1.6.9) 可见ＲD 和ＲH 是有差别的，其结果就是Ｄ的谱线相对于Ｈ的谱线会有微小位移，叫同位素位移．H λ，D λ是能够直接精确测量的量，测出H λ，D λ，也就可以计算出R H ，R D 和里德伯常数R ∞ ，同时还可计算出D ，H 的原子核质量比)(H D H D H H H D M m M m M M λλλλ+-⋅= (1.6.10) 式中m / M H = 1 / 1836.1527是已知值．注意，λ是指真空中的波长．同一光波，在不同介质中波长是不同的，唯有频率及对应光子的能量才是不变的．我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长．空气的折射率随波长的变化如表1.6.1所列．二、实验仪器装置光栅摄谱仪或棱镜摄谱仪，氢氘光谱灯，电弧发生器，光谱投影仪，阿贝比长仪等．1．平面光栅摄谱仪(1) 光路原理．一般平面光栅摄谱仪的光路如图1.6.1所示．图中M 1，M 2是同一大凹球面反射镜的下、上二个不同框形部分．光源Ａ发出的光，经三透镜照明系统 L 1 L 2 L 3 后均匀照亮狭缝Ｓ．通过 Ｓ的光经小平面反射镜Ｎ反射转向2π后射向M 1．因Ｓ由Ｎ所成的虚像正好处在M 1的焦面上，所以狭逢上一点Ｓ发出的光，经Ｍ1反射后成了微微向上射出的平行光，并正好射到Ｎ后上方的平面反射光栅G 上．G 把入射光向M 2 方向衍射．M 2把来自不同刻纹的同一波长的平行衍射光会聚成一点S ＇，S ＇正好落在照相胶版B 上．G 相邻刻纹的衍射光传播到S ＇的程差δ＝d (sin i +sin θ )，式中 d 是光栅常数，i ，θ分别是入射光、衍射光相对于Ｇ的法线的夹角，sin θ 取+号是因为θ，i 在法线的同侧． 显然， S ＇ 要是个亮点，必须λδk =，于是得光栅方程d (sin i + sin θ ) = λk ， 式中λ是光波波长，k =0，±1，±2，……叫衍射级．除0外，对同一k ，因 i 相同而λ不同则θ将不同，也就是不同波长的像点Ｓ＇将落在Ｂ的左右不同位置，成为一个单色像S λ'．狭图1.6.1 平面光栅摄谱仪光路图缝Ｓ是连续的点的集合，所以S λ' 是一条亮线．对同一k , A 发出的所有波长所形成的所有单色像构成Ａ的光谱，用胶版 B 就可以把它们拍摄下来．(2) 中心波长和光栅转角的关系．S λ' 落在Ｂ中心线附近的波长0λ叫中心波长．显然这时θ＝i ，对1级谱光栅方程变为2d sin i =0λ，所以中心波长0λ和 i 有一一对应关系．光栅安装在一个金属齿盘上，盘底的轴插在机座的轴套上，盘边有一蜗杆和齿啮合，蜗杆用一连杆和机壳外的手柄联结；转动手柄就可以转动光栅，并在手柄边上可以读出光栅转角i ．仪器色散能力较大，一次摄谱Ｂ只能容下相差约100 nm 的波长范围，所以拍摄不同波段的光谱时，必须把光栅转到相应的 i 角位置．(3) 谱级分离．设Ｂ上某点δ＝600 nm ，对1λ＝600 nm 的光波，k = 1，得到了加强；对2λ＝300 nm 的光波，k = 2,也得到了加强．这样在Ｂ上δ＝600 nm 处出现的谱线，就无法确定它是1λ还是2λ，这叫谱级重叠．但2λ是紫外光，它不能透过玻璃，在狭缝前放一无色玻璃作为滤色片，所有紫外光便都到不了B ，从而简单地实现了1级可见光谱和2级紫外光谱的分离，滤色后在δ= 600 nm 处出现的谱线一定是1λ．(4) 拍摄比较光谱的操作原则．谱线是狭缝的单色像．让12 mm 高的狭缝全部露出来被光照亮，可得到12 mm 高的一系列谱线； 让上端6 mm 露出， 就得到上端6 mm 高的谱；让下端6 mm 露出，就得到下端6 mm 高的谱．设想用Na (钠) 黄光照亮Ｓ，先让上端6 mm 露出摄谱后，保持胶版Ｂ和光栅转角 i 都不动，再换为下端6 mm 摄谱．这样摄得的4条谱线，一定是后二条在前二条的延长线上，因为它们只是同一狭缝上、下二段成像先后不同而已．Na 黄双线的波长大家都很熟悉，由此我们推想：把先摄下的二条谱线看成波长未知的被测谱线，后二条看成“波长标尺”上波长已知的二条刻度线，显然测得的结果非常准确．由此得出操作原则：拍摄互相比较的两列光谱时，不能移动胶版，不能转动色散元件，只能在换光源后换用狭缝的相邻部位摄谱．换用狭缝的不同部位很简单，狭缝前有一金属薄圆盘，叫哈特曼光栏盘，盘上不同位置开了不同高度的方孔，转动盘子让狭缝在所需的孔中露出就行了．“波长标尺”也现成，Fe (铁) 的光谱线相当丰富，波长都一一已知，把Fe 的光谱拍在被测光谱的旁边，也就相当于摆上了一把“波长标尺”．Fe 光谱可以用电弧发生器激发(请联想电焊时的弧光)．2．棱镜摄谱仪. 棱镜摄谱仪的一种光路如图1.6.2所示．图中，A 是要分析的光源，它发出的光经照明透镜Ｌ会聚后，照亮竖直的狭缝Ｓ．狭缝上的一点Ｓ发出的光， 经消色差的准直透镜Ｌ1后成为平行光．此平行光经色散棱镜Ｐ的第一个表面折射后，因波长不同折射率也不同而发生了角色散，不同波长的光线不再相互平行，同一波长的光线仍相互平行．折射光再经Ｐ的第二个表面全反射后射向出射表面．在出射表面上再一次折射，角色散加大．成像透镜Ｌ2把同一波长的相互平行的出射光，会聚在它的后焦面上形成像点Ｓ＇，所以Ｓ＇是个单色像S λ' ．由于不同波长的光出射角不同，各单色像点的位置也就左右不同．狭缝是连续的点的集合，它的单色像就是左右排列的一条一条的竖直亮线，一条亮线和一个波长对应．这些亮线是实像，把感光胶版Ｂ放在Ｌ2的后焦面上就能把它们拍摄下来，从而得到光源Ａ的光谱．棱镜摄谱仪没有谱级重叠问题，仪器色散能力较小，也不需要变换中心波长摄谱．但有的仪器既可作摄谱仪使用，又可作单色仪使用．作单色仪使用时，需转动色散棱镜，使所需波长的光在出射狭缝处输出，故棱镜有转动机构．所以，使用这样的仪器拍摄比较光谱时，除不能移动胶版外，同样不能转动色散元件，而只能在换光源后，借助狭缝前的简易哈特曼光栏板，换用狭缝的相邻部位．3．氢氘光谱灯.氢氘光谱灯(或放电管)内所充的纯净氢氘气体，在高压小电流放电时分解成原子并被激发到高能态，在跃迁到低能态的退激过程中发出原子光谱．灯管的使用请先阅读说明书．三、实验内容注意安全用电，未经充分准备，未经确认无误，不能随意给灯具、仪器通电，而且要防止胶版误感光．1．拍摄氢氘的和铁的光谱.按实验要求，拟好摄谱程序表格，调好光路后，按程序用哈特曼光栏的相应方孔，分别拍下氢氘的光谱和铁的光谱．注意，每次一定要按程序表格检查有关数据正确后再进行感光．2．显示谱片. 取下底片盒，到暗室将胶版进行显影、定影、水洗、吹干处理得到谱片．3．观察和测量氢氘光谱线的波长.在光谱投影仪上观察谱片上的光谱，区分、熟悉铁光谱和氢氘光谱．基于在不大的波长范围内可以认为线色散是个常数，在阿贝比长仪上测出有关已知波长铁谱线和氢氘谱线的相对距离后，用线性内插法就可算出氢氘谱线的波长．4．数据处理. 计算出ＲH、ＲD、ＭD/ＭH、Ｒ∞，以及含不确定度的最后结果．*5．实验设计训练.设已知氢核的质量图1.6.2 棱镜摄谱仪光路图为Ｍ，氘核的质量为2M，设计一个实验，测量质子的质量m p 和电子的质量m e 之比m p / m e ．四、思考与讨论1．拍摄比较光谱的操作原则怎样？2．在同一n下氢氘谱线的波长，Hλ大一点还是Dλ大一点？为什么？参考文献[1] 杨福家. 原子物理学(第二版). 北京:高等教育出版社，1990．[2] 吴思诚，王祖铨. 近代物理实验(第二版). 北京: 北京大学出版社，1995．。
氢氘原子光谱讲解
H
364.56
n2 n2
4
H
R
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 22
1 n2
nm
cm1
Rcm1
里德伯常量
3.玻尔能级跃迁理论
常量
原子核 质量
R
2 2me4
40 2 ch3 1 m
M
1 R 1 m
M
氢、氘原子光 谱波长测量
里德伯 常量
原子核 质量比
MD
2、将中心波长调至590nm处，通过汞灯的三条光谱， 手动定标，测量出氢、氘的各一条光谱线的波长
3、数据处理得出 RH , RD , M D M H ，及不确定度。
注意事项 1、不能连续点击程序，易导致死机。
2、氢氘灯光强不足，注意调节聚焦，曝光时间， 狭缝宽度。去除背景光。
3、注意灯管高压，以防触电！
近代物理实验：氢与氘原子光谱
1. 氢原子光谱线
实验原理
谱线名称
Hα Hβ Hγ Hδ Hε Hζ
量子数（n）
3 4 5 6 7 8
颜色
红 深绿
青 紫 紫 紫
波长（单位： nm） 656.279 486.133 434.047 410.147 397.007 388.905
2.巴耳末公式与里德伯常量
m
常量，P70
H
真空波长，P70
M H M H D H Dm / M H
实验仪器
问题1：如何激发原子光谱？
高压放电
能级跃迁
原子辐射
问题2：如何测量波长？
WGD-6型光学多道分析器
氢与氘原子光谱实验报告
氢与氘原子光谱实验报告一、实验背景和目的原子光谱是研究原子结构的重要工具，而氢与氘原子光谱实验则是探究氢和氘这两种轻元素原子结构及光谱特性的重要手段。
本实验旨在通过观察氢与氘原子光谱，学习原子光谱的基本原理，理解原子能级的跃迁原理，并比较不同原子光谱的差异。
二、实验原理与方法原子光谱的产生原理是基于原子能级的跃迁。
当原子受到外部能量激发时，原子中的电子会从低能级跃迁到高能级，当电子从高能级返回到低能级时，会释放出一定波长的光。
通过测定这些光的波长，我们可以确定原子的能级结构。
本实验采用激光激发原子光谱法。
具体方法是将氢或氘原子置于一个电场中，通过激光束照射，当激光能量与原子能级差相匹配时，原子会被激发并放射出光子。
通过测量这些光子的波长，我们可以得到原子的光谱。
三、操作过程准备实验器材：氢或氘原子、激光器、单色仪、光电倍增管、电源等。
将氢或氘原子置于电场中，调整激光器的波长，使激光能量与原子能级差相匹配。
打开激光器，照射氢或氘原子，并调整激光器的功率，使原子产生明显的光谱。
通过单色仪测量光子的波长，并记录数据。
重复步骤2-4多次，以获取足够的数据进行分析。
四、实验数据与分析通过实验，我们得到了氢与氘原子光谱的数据。
通过对比氢与氘原子的光谱，我们可以发现它们在波长和强度上存在差异。
这表明不同元素的原子具有不同的能级结构和光谱特性。
通过分析数据，我们可以使用Rydberg公式等理论公式来计算原子的能级和光谱波长。
通过比较理论计算与实验数据的差异，我们可以评估实验的准确性。
同时，我们还可以讨论影响实验结果的可能参数，例如激光功率、电场强度等。
五、误差来源和计算在本实验中，可能存在以下误差来源：激光器波长稳定性：如果激光器波长不稳定，将导致激发的原子数目减少，影响实验结果。
可以通过采用稳频激光器来减小此误差。
电场强度：电场强度不均匀可能导致原子激发效率不一致，影响光谱强度。
可以通过优化电场分布来减小此误差。
实验四OMA研究氢氘原子光谱解读
实验四 OMA 研究氢氘原子光谱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，发现了氢光谱的规律，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——氘的存在。
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。
一、实验目的1． 熟悉光栅光谱仪的性能与用法。
2． 用光栅光谱仪测量氢（氘）原子光谱巴尔末线系的波长，求里德伯常数。
二、实验仪器光学多通道分析仪、原子定标灯（氮灯、氖灯、汞灯）、氢氘灯。
三、实验原理原子光谱是线光谱，光谱排列的规律不同，反映出原子结构的不同，研究原子结构的基本方法之一是进行光谱分析。
氢（氘）原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。
瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式为：422:-=n n B Hλ （1）式中H λ为氢原子谱线在真空中的波长，nm B 56.364=，5,4,3=n 上式分别给出αH 、βH 、γH 、δH 各谱线波长，（1）式是瑞士物理学家巴耳末根据实验结果首先总结出来的。
故称为巴耳末公式。
若用波数λν1~=表示谱线，则（1）式可改写为： ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=222222121121441~n R n B n n B H ν （2） 式中H R 为里德伯常数。
根据波尔理论，可得出氢和类氢原子的里德伯常数为：()()Mm 1R M m 1m c h 4z e 2ch 4z e 2R 32044320442z +=+⋅==∞πεππεμπ （3） 其中：M 为原子核质量，m 为电子质量，e 为电子电荷，C 为光速，h 为普朗克常数，0ε为真空介电常数，z 为原子序数。
氢氘光谱
2.1.2 同位素光谱——氘原子光谱赵龙宇 PB06005068 自然界中的许多元素都存在同位素，它们的原子核具有相同数量的质子，但中子数不同。
反映在谱线上，同位素所对应的谱线发生位移，这种现象称为同位素移位。
同位素移位的大小与核质量有密切关系，核质量越轻，移位效应越大。
因此，氢同位素具有最大的同位素移位。
1932年尤莱（Urey ）根据里德伯常数随原子核质量变化的理论，用蒸发液氢的方法获得重氢含量较高的氢和重氢混合物，然后对其莱曼线系进行了摄谱分析，发现氢原子光谱中每条线都是双线。
通过波长测量并与假定的重氢核质量所得的双线波长相比较，实验值与理论值符合得很好，从而确定了氢的同位素——氘（D ）的存在。
本实验以氘原子光谱为研究对象，研究获得同位素光谱的实验方法、分析方法及其在微观测量中的应用。
实验原理1． 原理根据玻尔理论，原子的能量是量子化的，即具有分立的能级。
当电子从高能级跃迁到低能级时，原子释放出能量，并以电磁波形式辐射。
氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波数为 )121()1()4(222320242nm m c h Z e m Z e e -+=πεπσ （1） 其中m Z 为原子核质量，m e 为电子质量，e 为电子电荷，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，c 为光速，Z 为原子序数。
因此类氢原子的里德伯常数可写成)1(1)4(2320242Ze e Z m m c h Z e m R +⋅=πεπ （2） 若∞→Z m ，即假定原子核不动，则有ch Z e m R e 320242)4(2πεπ=∞ （3） 因此)1(Ze Z m m R R +=∞ （4） 由此可见，R Z 随原子核质量m Z 变化，对于不同的元素或同一元素的不同同位素R Z 值不同。
m Z 对R Z 影像很小，因此氢和它的同位素的相应波数很接近，在光谱上形成很难分辨的双线或多线。
设氢和氘的里德伯常数分别为R H 和R D ，氢、氘光谱线的波数σH 、σD 分别为⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22121n R H H σ n=3,4,5… （5） ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22121n R D D σ n=3,4,5… （6）氢和氘光谱相应的波长差为)1()1()1(DH H D H H H D H D H R R -=-=-=-=∆λσσλλλλλλλ （7） 因此，通过实验测得氢和氘的巴耳末线系的前几条谱线的谱长及其波长差，可求得氢与氘的里德伯常数R H 、R D 。
用光学多道分析器研究氢原子光谱
用光学多道分析器研究氢原子光谱摘要：光谱是光的频率和强度的分布关系图，是研究物质微观结构的一个重要途径。
在本实验中，使用光学多道分析器来测量氢原子的巴耳末系的,,,H H H H αβγδ的波长，并利用所测波长计算里德伯常量。
关键词：氢原子光谱、汞灯定标、光学多道分析器、巴耳末系、里德伯常量实验目的：1：测定氢原子巴耳末系发射光谱的波长的氢的里德伯常量。
2：了解氢原子能级与光谱的关系，画出氢原子的能级图。
3：了解光学多道分析器的原理和使用方法。
实验原理：根据玻尔理论，氢原子的能级公式为()()432021,1,2,,=81/1836.15e e e em e E n n m M h n m M Mm μμε=-=+ 其中称为约化质量，为电子质量，为原子核质量，氢原子的为。
电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量h ν为两能级间的能量差()()(),h E m E n m n ν=->，如以波数1/σλ=表示，则上式为()()()()2211H E m E n T n T m R hc n m σ-⎛⎫==-=- ⎪⎝⎭，式中H R 为氢原子里德伯常量，()T n 称为光谱项，它与能级()E n 是对应的，从H R 可得氢原子各能级的能量()21H E n R ch n=- ，式中1584.1356710eV s, 2.9979210/h c m s -=⨯⋅=⨯。
从3m ≥至2n =的跃迁，光子的波长位于可见光区，其光谱符合规律()2211,3,4,5,2H R m m σ⎛⎫=-=⎪⎝⎭，这是巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系，氢原子的莱曼系位于紫外，其他线系均位于红外。
实验仪器：光学多道分析器是利用现代电子技术接收和处理某一波长范围内光谱信息的光学多通道检测系统。
多色仪及光源部分的光路见图1，图1光源S 经透镜L 成像于多色仪的入射狭缝S 1,，入射光经平面反射镜M 1转向90 ，经球面镜M 2反射后成为了平行光射向光栅G ，衍射光经球面镜M 3和平面镜M 4成像于观察屏P 。
氢氘光谱实验报告
氢氘光谱实验报告氢氘光谱实验报告引言光谱学是研究物质与电磁辐射相互作用的科学。
氢氘光谱实验是光谱学中的重要实验之一，通过观察氢氘原子在不同波长的光照射下的发射和吸收现象，可以了解原子内部结构和能级分布的信息。
本实验旨在通过测量氢氘原子在可见光范围内的光谱，探索其能级结构和能级间的跃迁。
实验装置和原理实验装置主要包括氢氘光源、光栅、光电倍增管和光谱仪。
当氢氘原子受到激发后，会发射出特定波长的光线，形成光谱线。
光栅的作用是将光线分散成不同波长的光谱，而光电倍增管则用于检测和放大光信号。
实验步骤1. 将氢氘光源接通电源，使其开始发光。
2. 调节光栅的角度，使得光线能够通过光栅并被分散。
3. 将光电倍增管与光栅对准，使得光线能够被光电倍增管接收。
4. 使用光谱仪观察和记录光电倍增管输出的光谱图像。
实验结果通过实验，我们观察到了氢氘原子在可见光范围内的光谱线。
根据光谱图像，我们可以看到一系列明亮的谱线，每条谱线对应着氢氘原子的一个能级跃迁。
讨论与分析1. 能级结构根据实验结果，我们可以推测氢氘原子的能级结构。
氢氘原子的能级由电子的能量决定，而电子的能量与其所处的能级有关。
每条光谱线对应着一个能级跃迁，从高能级到低能级的跃迁会释放出特定波长的光线。
通过测量光谱线的波长，我们可以计算出氢氘原子不同能级之间的能量差。
2. 能级间距氢氘原子的能级间距可以通过测量光谱线的波长来计算。
根据波长和光的速度，我们可以使用公式λ = c / ν计算出光的频率，进而计算出能级间距。
通过实验数据的分析，我们可以得到氢氘原子能级间距的近似数值。
3. 能级跃迁不同的能级跃迁对应着不同的光谱线。
通过观察光谱图像，我们可以推测氢氘原子的能级跃迁规律。
根据量子力学理论，我们知道能级跃迁是由电子的能量变化引起的。
因此，通过研究光谱线的强度和位置，我们可以进一步了解氢氘原子内部电子的能级分布和跃迁过程。
结论通过氢氘光谱实验，我们成功地观察到了氢氘原子在可见光范围内的光谱线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光学多道和氢氘同位素光谱【摘要】：本实验主要利用光学多道分析仪研究氢氘光谱并得到氢氘光谱的能级图。
使用已知波长的氦光谱进行定标测量了氢光谱，并在此基础上测量氢氘同位素光谱，修正获得了氢氘光谱的波长值；利用这些测得值计算出了氢氘的里德伯常量分别为H R =109811.87cm -1，= 109840.39cm -1。
利用氢氘光谱的波长差计算得出了电子与质子质量之比为=1906.84。
关键词：光学多道分析仪、氢氘光谱，CCD ，光电倍增管一、实验引言：光谱是不同强度的电磁辐射按照波长的有序排列。
光谱学是研究各种物质的光谱特征，并根据这些特征研究物质结构、物质成分和物质与电磁辐射的相互作用，以及光谱产生和测量方法的科学。
光谱学在物理学各分支学科中都占有重要地位，而且在很多方面有着广泛的应用。
在光谱学史上，氢光谱的实验和理论研究都占有特别重要的地位。
1885年，巴耳末（J.J.Balmer ）发现了可见光区氢光谱线波长的规律。
1892年，尤雷（H.C.Urey ）等发现氢(H)的同位素氘(D)的光谱，氢氘原子对应的谱线波长存在“同位素位移”。
本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研究氢氘光谱，了解其谱线特点， 并学习光学多道仪的使用方法及基本的光谱学技术。
二、实验原理：（一、）在原子体系中，原子的能量状态是量子化的。
用1E 和2E 表示不同能级的能量，ε表示跃迁发出光子的能量，h 表示波尔兹曼常量，ν表示光子的频率，对于原子从低能级到高能级的跃迁我们有：21h E E εν==-，其中21E E hν-=（1） 由于原子能级的分立，频率ν也为分立值，在分光仪上表现为一条条分立的“线性光谱”，这些频率由巴耳末公式确定： H 原子：2212111H H R n n λ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ （2） 其中1n 和2n 为轨道量子数，H R 为氢原子的里德伯常数。
当1n =2，2n =3，4，5……时，公式（2）对应氢原子巴耳末系。
同理，D 原子：2212111D D R n n λ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ （3） 其中1n =2，2n =3，4，5……时对应氘原子巴耳末系，D R 为氘原子的里德伯常数。
氢原子和氘原子巴耳末系对应的波长差为：12211112H D H D R R n λλλ-⎛⎫⎛⎫∆=-=-- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，n =3，4，5……， （4）其中p H p em R R m m ∞=+，22p D p em R R m m ∞=+，R ∞＝109737.31cm -1 （5）由公式（5）可得：1122p e H p e D m m R m m R ⎛⎫+=⎪ ⎪+⎝⎭ （6） 因此：1112e H D p e Dm R R m m R -=+ （7） 有： 12211222ee D D p e p e m m R m m n m m λλ-⎡⎤⎛⎫∆=-= ⎪⎢⎥++⎝⎭⎣⎦ （8） 由于p m >>e m ，所以：2eDpm m λλ∆≈（9） 测出对应谱线波长及波长差便可通过公式（9）计算出出电子和质子的质量比。
（二、）仪器光学多道分析仪（Optical Multi-channel Analyzer简称OMA），主要由光学多色仪，电荷耦合器件(CCD)或光导摄像管和数据处理系统三大部分组成，是一种采用多通道法检测和显示微弱光信号的光电子仪器。
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。
实验装置如图一所示。
图一、实验装置图图二、光栅多色仪光路图（三、）光栅多色仪光路图如图二所示，通过入射狭缝S1的光经平面镜M１反射后，被凹面准光镜M２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M３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M４反射到观察窗S3上。
（三、）CCD光电探测器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，其工作原理如图三。
图三、CCD工作原理当二极管受光照时，被吸收的光子产生电子-空穴对，其中电子被吸收到电荷反型区，形成电荷的存储。
将按一定规则变化的电压脉冲加到CCD各相元电极上，电极下的点荷包就能按一定方向移动，发生电荷的转移。
转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路实现电荷-电压（U/A）线性变换，完成电荷的读出。
（四、）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 108～1010。
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。
图四、光电倍增管剖面结构图三、实验内容：实验仪器：光学多道分析仪实验步骤：1、准备根据公式估算氢和氘光谱巴耳末线系中=3，4，5，6几条谱线的波长，打开稳压电源，待工作正常，做好开机的准备。
2、用CCD光学多道系统测量氢光谱选择光谱仪处于CCD的工作模式，并进入“WDG-8A-CCD”软件，等待初始化。
在软件中依次单击“运行”、“实时采集”，使计算机进入光谱采集状态。
将多组灯中的氢灯置于狭缝前，以氢谱巴耳末线系的波长分布作为参考，调节CCD的中心波长位于某一条谱线附近。
调节氢灯光源的位置，确认能够观察到氢谱线，然后换上标准氦灯。
反复调节CCD中心波长的位置，使得在同一个摄谱范围内即可观察到待测氢谱线，也可以观察到至少三条氦谱线。
在这一前提下，只测量24,5n=的两条谱线的波长。
波长定标：利用软件对标准氦谱线定标。
测谱：不改变摄谱范围的前提下，重新放上氢灯，通过以定的标测出氢谱线的波长值。
再将中心波长定在另一条氢谱线附近，重复上述测量。
3、用光电倍增管测量氢氘光谱在CCD的工作方式下放上氢氘灯，调节各参数如光缝宽度，使谱线的强度尽量强并且氢谱线和氘谱线能明显分离，然后退出CCD工作状态。
将工作方式改为光电倍增管，点击“WDG-8A光电倍增管”操作系统，等待系统初始化。
调节光电倍增管的负高压至800V。
选择工作范围在某条氢谱线附近，通过软件扫描观察谱线强度是否合适，氢氘谱线是否分离。
如果不能符合要求则需要重新调节参数。
参数调节完毕后，使仪器的扫描范围为400nm至660nm。
扫描，获得氢氘光谱。
将第2步中测量的氢谱线波长对现在的数据进行修正，测出氢氘光谱线的相应波长。
四、实验结果极其分析：（一、）由公式pHp emR Rm m∞=+，22pDp emR Rm m∞=+计算得HR=109677.58cm-1，=109707.44 cm-1。
nHλ（nm）（nm）3 656.47 656.294 486.27 486.145 434.17 434.056 410.29 410.187 397.12 397.02（二、）用CCD 光学多道系统测量氢光谱用He 的471.32nm 和492.19nm 的波长定标，得到n=4时的H 的波长是485.42nm 用He 的438.79nm 和447.15nm 的波长定标，得到n=5时的H 的波长是434.03nm （三、）用光电倍增管测量数据应用光电倍增管单程扫描可获得氢氘光谱，在400nm 到600nm 波长范围内的光谱图如下所示：图五、氢氘光谱 图六、氢氘光谱分裂 影响氢氘光谱的分裂因素：入射光位置处的狭缝大小，光源的入射方向等等 氢氘光谱光电倍增管测量值： n=3时，H λ=656.69nm ，=656.49nm ； n=4时，H λ=486.63nm ，=486.51nm ；n=5时，H λ=434.87nm, =434.77nm ；n=6时，H λ=410.15nm ，=410.05nm ；n=7时，H λ=397.06nm ，=397.00nm 。
(1)在定标时，有485.42nm ，而测得值为486.63nm ，差值为;1.2nm 在定标时，有434.03nm ，而测得值为434.87nm ，差值为0.84nm ， 则应修正：（0.84+1.2）/2=1.0nm(2)以上的测量的是空气中的谱线波长，下面通过计算得出在真空中相应的波长值： 若真空中波长为，空气中的波长为，空气的折射率为，则=n （10）空气的折射率由下式决定：01111g n p ben atp at--=•-++ （11）g n 是标准大气压（0t C ︒=0p p =0e =）下群速度折射率，24351g n A B C λλ=+++（12）其中72876.0410A -=⨯，7216.28810B m μ-=⨯，740.13610C m μ-=⨯在这里，因为实验是在室温、室压的情况下完成的，所以需要计算n ，p=p 0，t=25︒C,相对湿度为30%，经查找计算可得水蒸气压力近似为1kpa ：表二、氢光谱的数据： 谱线对应上能级n 2 3 4 5 6 实测波长/nm656.69486.63 434.87 410.15 （空气中的）谱线波长/nm(修正) 655.69 485.63 433.87 409.15 折射率g n 1.000299 1.000309 1.000315 1.000319 空气折射率n01111g n p ben atp at--=•-++ 1.0002741.0002831.0002891.000292真空中波长/nm =n655.87 485.77 433.99 409.26 波数01~λν=/410⨯1-cm1.5246922.058587 2.3042006 2.4434344 谱线跃迁下能级 2222里德堡常数)n 121(~22-÷=νH R /1-5cm 10⨯ 1.097778241.097913067 1.097238381 1.09954548里德堡常数平均值/1-cm 109811.87 与计算值误差/%0.122% 上能级光谱项1-52cm 10/nH R 0.12200.068630.043920.03050下能级光谱项1-52cm 10/2H R 0.2745 0.2745 0.2745 0.2745表三、氘光谱的数据 谱线对应上能级n 2 3 4 5 6 实测波长/nm656.49486.51 434.77 410．05 （空气中的）谱线波长/nm 修正 655.49 485.51 433.77 409.05 折射率g n 1.000299 1.000309 1.000315 1.000319 空气折射率n01111g n p ben atp at--=•-++ 1.0002741.0002831.0002891.000292真空中波长/nm =n655.66 485.64 433.89 409.17 波数01~λν=/410⨯1-cm1.52518072.059138 2.3047316 2.4439719 谱线跃迁下能级 2222里德堡常数)n 121(~22-÷=νD R /1-5cm 10⨯ 1.098130104 1.098206933 1.097491238 1.099787355里德堡常数平均值/1-cm 109840.39 与计算值误差/%0.121% 上能级光谱项1-52cm 10/n H R 0.12200.068650.043930.03051下能级光谱项1-52cm 10/2H R 0.2746 0.2746 0.2746 0.2746表四、n ----2H R n 图七、2HR n 的变化图 n2HR n（cm -1） 2 27452.967 312201.3191000200030004000500060007000800014710131619222528313437n图八、氢光谱(1为H α，2为H β) 图九、氘光谱（1为D α，2为D β） （四、）质子与电子的质量之比：其中的波长值为利用实验测得的里德堡常数计算所得H λ0（nm ）0D λ（nm ）H D λλλ∆=-0（nm ）655.667655.497 0.170 1867.93 485.679 485.553 0.126 1926.79 433.642 433.529 0.113 1918.26 409.792409.6850.107 1914.41p em m =1906.84理论上的p em m 约为1836.15，则测量值的相对误差为3.8%。