氢氘光谱 (5)
氢与氘原子光谱
氢灯
5）拍摄氢（氘）谱：换上装好底片（药面对光）的暗 盒，调节暗盒在15mm处，拍下氢光谱，曝光时间参考值：30 －60秒 ；（换上氘灯，暗盒调到35mm处，拍下氘光谱，曝 光时间参考值：2-5分钟）。
刻度 暗盒移动旋轮
6）拍摄铁谱：暗盒 移到25、45mm处，打开铁弧，调 节光稳定和光路，拍下铁光谱，曝光时间1－5秒。关闭暗 盒铁皮取下。
d1 、d 2 、d x
λx 为待测谱，
分别为它们的坐标刻度值，则：
λ2 − λ1
d 2 − d1
=
λx − λ1
d x − d1
dx
λx λ2 d2
d x − d1 λx = λ1 + (λ2 − λ1 ) d 2 − d1
λ1 d1
实验装置
小型棱镜摄谱仪 或多功能组合光栅光谱仪
实验内容பைடு நூலகம்步骤
谱片 放大倍数调节 标记点 谱片投影
调焦 标准谱片
(外)左右移动
（内）前后移动
认
标准 谱片
注意:谱片投影 和标准谱片的 谱线波长变化 方向要一致 查标准谱片 找出其波长
谱
特征 谱线 基本 对准
波长越长
铁 谱 谱 片 投 待 影 测 谱
λ1
λ2
λx
标记点
提示:通过查待测量谱线的理论波长 值,在理论值附近找就容易认出谱线.
多功能组合光栅光谱仪
多功能组合光栅光谱仪是一种新型测谱仪,由 单色仪、光接收单元、电控箱、计算机等组成。
显示器 单色仪 接收单元 电控箱 计算机 打印机
键盘、鼠标
多功能组合光栅光谱仪
狭缝调节轮 PMT CCD(背后) 电控箱
DVD
TP RWDS-8型组合多功能光栅光谱仪电控箱
实验五 氢、氘原子光谱实验
实验五 氢、氘原子光谱实验一、实验目的1．学习使用WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪测谱的方法。
2．测定氢原子巴尔末系前几条谱线的波长，验证巴尔末公式。
3．测定氢同位素氘谱线位移，计算氢、氘雷德堡常数，计算电子与质子的质量比，计算氢、氘的核质量比。
二、实验原理1672年牛顿证明了白光是由各种色光复合而成的，因而色光在性质上比白光更简单。
1800年赫谢尔发现了红外辐射，1801年李特和沃拉斯顿发现了紫外辐射，1815年夫朗和费发现了太阳光谱中的锐黑线。
随着人们对各种光谱现象的深入研究，逐渐加深了对物质结构的认识，从而进入了原子的世界。
从这个意义上说，现代的量子力学是在光谱学的摇篮里长大的。
值得一提的是，氢光谱的研究成果在原子结构理论的产生过程中起过巨大的作用。
氢原子的光谱是最简单的光谱，它有相互独立的光谱系，其中只有一个线系在可见光区，即巴尔末（Johann Balmer 瑞士的中学教师）线系，其中比较明亮的谱线有四条如图1： 各谱线波长如下；H α ～656.28 nm H β ～486.13 nm H γ ～434.05 nm H δ ～410.18 nm这些谱线的波长的倒数很有规律n=3、4、5，…υ~ 称为波数，R 是雷德堡常数。
以后又继续发现了氢的一系列线系：赖曼（Lgman ）系 远紫外 n=2、3、4…帕邢（Paschen ）系 近红外 n=4、5、6…布拉开（Brackett ）系 红外 n=5、6、7…普芳德（Pfund ）系 红外 n=6、7、8…)121(~122nR -==υλ)111(~22nR -=υ)131(~22n R -=υ)141(~22n R -=υ)151(~22nR -=υ这些已知的氢原子光谱，可以用一个普遍的公式表示，就是广义巴尔未公式： m 、n = 1、2、3…n ＞m（1）现在，在普通的实验室里人们观察到的谱线可达到相应于m=6，n=7的水平，在射电天文望远镜的观测中已经接收到相应于m ＝158， n=159的1651兆赫谱线。
物理实验报告_光学多道与氢氘光谱
光学多道与氢氘同位素光谱摘 要：本实验利用光学多道分析仪研究氢氘光谱。
首先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 =109717.82cm -1，=109747.00 cm -1。
得到了氢氘光谱的各光谱项及巴耳末系跃迁能级图；通过计算得出了电子与质子质量之比为=1881.40,与理论值1836.15的相对误差为2.46%。
关键词：光学多道分析仪，氢、氘同位素光谱，CCD ，光电倍增管1. 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，而且在生物学、考古学等诸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。
2. 实验原理2.1物理原理在原子体系中，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 HR 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。
氢与氘原子光谱
调 节
5
2.旋转6使右边圆盘读 数中的0对准指针位置.
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
10 6
4 5 6 9 2 8 1 3
5 15
10
1.旋转5将5mm刻度线拉到十 分之一毫米刻度线0的位置.
7
调
节
读数
95
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0
4 10 2 8
5 6 9 3 1
4
5 30
11. 计算有关量.
氢与氘原子光谱
实验目的
1、通过拍摄氢(氘)、铁原子光谱，或利用多功 能组合光栅光谱仪采集氢（氘）光谱，求出里德伯 常数，以达到初步掌握光谱定性分析的基本方法； 2、测定氘氢原子核质量比； 3、理想精确测量的意义。
实验原理
1.氢光谱巴尔末线系（在可见光区）的规律为
n2 λH = 364.56 2 nm n −4
R∞ RH = (1 + m / M ) R∞ H RA = ⇒ R∞ (1 + m / M A ) RD = (1 + m / M D ) MD m λH = ⋅ M H M H (λD − λH + λD m / M H )
3.比较光谱法测定谱线的波长
λ1 , λ2 分别为标准谱，
6.求谱线波长 6.求谱线波长 测谱线的坐标：谱片放在阿贝比长仪上，读取标 准谱(铁谱) 准谱(铁谱)和待测谱的坐标。
阿贝比长仪
4 10 2 8 1 5 6 9 3
1.工作台 2.导板 3.主标尺 4.视物显微镜 5.微米计转轮 6.微调旋钮 7.微移转轮 8.固定板 9.读数显微镜 10.热辐射屏罩
点击
8. 峰值检索.
氢氘光谱
实验题目：氢氘光谱实验目的：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。
实验仪器：WGD-8型多功能光栅光谱仪、氢氘灯、汞灯、微机等。
实验原理：（点击跳过实验原理）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 Ze 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 ch Ze m R +⋅=πεπ（2）若∞→Z m ，即假定原子核不动，则有：ch Ze 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 Hσn=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 DH H HD 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 。
根据式（4）有：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∞H e Hm m R R 1/ （8） ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=∞D e D m m R R 1/（9） 其中m H 和m D 分别为氢和氘原子核的质量。
光学多道与氢氘光谱
光学多道与氢、氘同位素光谱摘要：利用光学多道分析仪研究H 、D 光谱，测出H 、D 巴尔末系四对谱线波长，计算H 、D 里德伯常数及质子与电子的质量比。
关键词：光学多道分析仪、线状谱、巴尔末线系、里德伯常数一、引言1885年，巴耳末发现了可见光区H 光谱线波长的规律，1892年，尤雷等发现H 同位素——D 的光谱。
虽然HD 原子核外都只有一个电子，但原子核质量不同，故其对应谱线波长稍有差别，即存在“同位素位移”。
本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研究HD 光谱，了解其谱线特点， 并学习基本的光谱学技术。
二、实验原理在原子体系中，原子的能量状态是量子化的，每一个能量状态称原子的一个能级。
能量最低的状态称为原子的基态，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ε，频率为ν，高能级为 E 2，低能为 E 1，则：21h E E εν==- ，21E E hν-=（1）由于原子的能级是分立的，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，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”。
对于H 原子的光谱线有2212111()H HR nnλ=-（2）式中H R 为里德伯常数，当n 1 = 2，n 2 = 3，4，5……时，称为巴耳末线系，大部分在可见光区。
与H 类似，D 光谱的巴尔末系公式为：22111(),3,4,52D DR n n λ=-= （3）H 和D 的巴尔末系对应谱线波长之差为：1221111()(),3,4,52H D HDn R R nλλλ-∆=-=--= （4） 显然，H 、D 光谱之间的差别在于它们的里德伯常数不同。
这是由于二者原子核质量的不同引起的。
H 和D 的里德伯常量分别为：p H p em R R m m ∞=+ ，22p D p em R R m m ∞=+ （5）式中R ∞=109737.31cm -1代表原子核质量为∞时的里德伯常量。
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）原子光谱
实验四 氢（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。
光谱线的超精细结构曾被认为是不同的同位素发射的谱线。
但现在认为，超精细结构是单一的同位素的光谱线由原子核的自旋而引起的复杂结构，而不同的同位素的光谱差别则称为“同位素移位”。
氢原子同位素移位是可以准确算出的。
1932年尤里（H.C.Urey ）等人用3m 凹面衍射光栅拍摄巴耳末（J.J.Balmer ）线系的光谱，发现在αH 、βH 、γH 和δH 的短波一侧均有一条弱的伴线，测量这些伴线的波长并在实验误差范围内与计算结果比较，从而证实了重氢H 2（氘）的存在。
一、实验目的 （1） 通过测量氢和氘谱线的波长，计算氢与氘的原子核的质量比H D M M /以及里德伯（J.R.Rydberg ）常量)(D H R R 。
（2）加深对氢光谱规律和同位素位移的认识，理解精确测量的重要意义。
（3）掌握WGD-8A 组合式光栅光谱仪的原理和使用方法，并学会用光谱进行分析。
二、 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。
氢原子光谱由许多谱线组成，在可见光区的谱线系是巴耳末系，其代表线为αH 、βH 、γH 、δH …，这些谱线的间隔和强度都向着短波方向递减，并满足下列规律：422-=n n B λ （1） 式中n nm B ,56.364=为正整数。
当6,5,4,3=n 时，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λν/1~=表示谱线，则（1-1）式改写为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22221211214~n R n B H ν（2）式中B R H /4=为里德伯常量，n 取整数。
根据玻尔（Bohr N .）理论对氢原子和类氢原子的里得伯常量计算（诸圣麟，1979），有：Mm R R e /1+=∞ （3） 式中e m 为电子质量，M 为原子核质量。
氢与氘原子光谱实验讲解
3.仪器中的主要分光器件是什么,如果检出不同波长的光？
氢与氘原子光谱实验
实验目的
实验仪器
实验原理
实验内容
数据处理 思考问题
注意事项
实验目的
1. 了解光栅光谱仪的工作原理，掌握其使用用法； 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。
实验仪器
5
1
4
2 3
图1 光栅光谱仪系统组成
1.光谱仪主机 2.控制箱 3.光源 4.光电倍增管 5. 计算机
可见光区域氢光谱谱线称为巴尔末线系，其分布规律
为：
1
RH（212
1） n2
RH 是实验常数，称为里德伯(Rydberg)常数。
由上式确定的氢谱线为巴尔末线系，当n＝3，4，5，6时，所得的谱
线分别标记为 H 、H 、H 、H 。
根据波尔理论，可得出氢和类氢原子的里德伯常数为：
Rz
2 2e4 z4
S3—出射光狭缝，移去平面镜 M4 ,衍射光 线直接会聚在 S3 外侧放置的光电倍增管上。
*S
S1
M1 G
M4 S3
S2
图2 光栅光谱仪内部光路
实验原理
图3 玻尔描述的氢原子光谱
图4 氢原子光谱与电子跃迁
一、闪耀光栅工作原理：
m 1 m 0 m 1
a. 平面光栅
图5 闪耀光栅工作原理
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
普通物理(近代物理)实验
氢与氘原子光谱实验
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
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 。
氢氘原子光谱实验报告
氢氘原子光谱实验报告氢氘原子光谱实验报告一、引言光谱实验是研究光的波动和粒子性质的重要手段之一，对于深入了解原子结构和化学反应机理至关重要。
氢和氘原子光谱实验是一项经典的实验，通过研究氢和氘原子发射的光谱线，可以揭示出原子的结构和特性，为量子力学提供了有力支持。
本实验旨在通过观察氢氘原子的光谱现象，得出对应原子能级的信息，进一步深入研究原子的性质。
二、实验方法1. 实验仪器：使用光谱仪和不同波长的光源，例如氢氘灯。
2. 实验过程：a. 将氢氘灯与光谱仪连接，调整光谱仪，确保其工作在最佳状态。
b. 通过调节仪器，使光源尽可能均匀地照射到光谱仪上。
c. 观察并记录下每个波长下的光谱现象，特别注意氢氘原子产生的谱线。
三、实验结果通过实验观察和记录，我们得到了如下实验结果：1. 在可见光波段，氢和氘原子表现出不同的光谱线，具有各自特征的谱线分布。
2. 氢原子的光谱线位于可见光谱中的红、绿、蓝三个区域，其中最明显的是红色和蓝色的谱线。
3. 氘原子的光谱线与氢原子相比，在波长上发生了较大的位移，整体往长波方向移动。
四、数据分析与讨论1. 通过对实验结果的观察，我们可以得出结论，不同的原子具有不同的光谱线，这表明了原子的结构和能级分布与光谱现象的关系。
2. 氢原子的光谱线表现出离散特性，这与波尔模型相符，即氢原子的电子只存在于特定的能级上，能级之间的跃迁会导致相应波长的光谱线出现。
而氘原子的光谱线位移说明了核子质量的影响。
3. 光谱实验的结果与理论模型相吻合，这进一步验证了波尔模型的正确性，并为原子结构研究提供了更加深入的理论支持。
五、实验结论通过本次氢氘原子光谱实验，我们得出了以下结论：1. 氢原子和氘原子在可见光谱中具有各自特征的光谱线分布。
2. 氢原子的光谱线呈现出离散特性，与波尔模型相符。
3. 氘原子的光谱线位移较大，与核子质量的差异有关。
4. 光谱实验结果与理论模型相吻合，为原子结构研究提供了有效支持。
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。
实验五 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。
氢与氘实验报告
佛山科学技术学院实验报告课程名称实验项目专业班级姓名学号指导教师成绩日期年月日实验原理（原理文字叙述和公式、原理图）四.实验步骤五、实验数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等）八.思考题对于氢，有)/1(H H M m R R +=∞（5）这里ＭH 是氢原子核的质量。
由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线的波长，借助（5）式可求得氢的里德伯常数。
里德伯常数Ｒ∞是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上有重要意义，目前它的推荐值为R ∞＝10973731.568549(83)/m 。
四、实验内容与步骤1、拍摄汞灯的光谱按实验要求，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，拍下汞灯的光谱2、观察和测量氢光谱的波长在光谱投影仪上观察谱片的光谱，区分、熟悉氢光谱。
基于在不大的波长范围内可以认为线色散是个常数，在阿贝比长仪测出有关已知波长氢谱线的相对距离后，用线性内插法就可计算出氢谱线的波长五、实验数据和数据处理先测定汞光源的谱线，在“读取数据”项下对曲线进行寻峰，读出波长，和定标光源的已知谱线(附后)波长相比较，对波长进行修正。
汞灯的光谱学将光源换成氢灯，测量氢光谱的谱线，氢原子的巴尔末线系谱线波长原 子 谱 线 标准值 （nm ）选择参数 测量结果 （nm ） 工作方式工作范围工作状态 采集 次数 模式间隔 (nm) 波长 （nm ） 最大值 最小值 负高压 增益 氢 α 656.2 能量 0.5 655-657 1000 0 400 3 50 656.0 氢 β 486.13 能量0.5485-487 1000 0 400 3 50 486.50 氢 γ 434.047 能量 0.5432-435 1000 0 400V 3 50 434.50 氢δ 410.174 能量0.5408-4121000400V350410.50氢原子的巴耳末线系谱线波长氢的光谱线氢原子的光谱线根据测量得到的氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线的波长，用作图法线性拟合方法求出氢原子里德伯常数。
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0.12
6
409.97
410.08
0.11
一、求
由公式
计算得：
再代入公式
计算得
注1:与理论值之间有一定误差!
二、求
由公式
得
将波长用公式
（其中 为空气的折射率）
修正后得：
表二
nm
nm
3
656.60
656.76
4
486.15
486.28
5
433.99
434.12
6
410.09
410.20
(修正的原因是:在计算RH、RD时，应该以真空中的波长代入公式计算，但是，实验中的测量是在空气中进行的，汞谱图上所标也是空气中的波长。空气的折射率为n=1.00029，应作 的修正)
4．用阿贝比长仪精密的测量谱线间的距离，以线性插入法计算各条光谱线的波长，并计算各谱线的里德伯常数，求RH、RD的平均值，并求出氢氘原子核质量比。
注意事项:
在实验中应注意以下几点:
1,保护仪器.实验中的氢氘放电管在不扫描的时候应关掉以延长其使用寿命.
2,实验中应选好合适的工作状态,比如,工作电压,总高压,增益,工作波段以及最大值,最小值.
将表二中的数据代入上式计算得
表三
能级( )3Leabharlann 56( )
1.0966
1.0969
1.0970
1.0971
于是
三、求
由公式
得
将波长用公式
（其中 ）
修正后得：
表二
nm
nm
3
656.81
656.98
4
486.21
486.35
5
434.08
434.21
6
410.12
410.24
将表二中的数据代入上式计算得
表四
3,机器的多次使用带来的机器误差.
实验总结:
在本次实验中,我们了解了氘原子的光谱,懂得了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.在实验过程中,我们还用到了标准Hg谱线图采用线性插入法测量谱线波长,这也为我们以后的实验提供了一种很好的思路.另外就是实验时采用电脑采集数据给我们的实验带来很大的方便,这也暗示我们计算机科学技术与物理学的交融越来越密切,我们今后应当多在这方面作出努力.
因此类氢原子的里德伯常数可写成
若 ，即假定原子核不动，则有
因此
设氢和氘的里德伯常数分别为RH和RD，
则氢、氘光谱线的波数σH、σD分别为
n=3,4,5…
n=3,4,5…
氢和氘光谱相应的波长差为
所以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RH、RD。
又由于:
两式相除有:
所以有:
( *)
式中 为氢原子核质量与电子质量比，公认值为1836.1515。因此将通过实验测得的 代入式（*），可求得氘与氢原子核的质量比 。
实验内容:
1．熟悉仪器的结构、各调节旋钮的作用及仪器的特性参数
2．用哈德曼光阑在底片上并列拍摄氢氘光谱和铁谱
3．在映谱仪下利用标准铁谱图识别底片上氢氘光谱及其附近的铁谱线，粗略地测出氢、氘谱线的波长。
3
5
6
于是
四、计算 和 的公认值
由公式
计算得
再由公式
计算得
上标0表示公认值。
与公认值相比差
注2:误差比较小,但误差存在!
五、氢原子巴尔末系的能级图为
误差分析:
本次实验中产生的误差(”注1”与”注2”)的原因主要有以下几点:
1,狭缝宽度选取不正确,造成实验误差;
2,有可能Hg光谱的校准出现问题,则有可能给实验带来误差;
3,实验中的狭缝宽度应足够小.
4,实验中发光源应该处于合适的位置,以保证有实验所需要的光线进入分析仪.
5,为了避免多次使用造成的机械误差,应该在每次用完软件后初始化一次.
数据处理:
原始数据:
能级( )
(nm)
(nm)
(nm)
3
656.41
656.57
0.16
4
486.01
486.14
0.13
5
433.87
氢氘光谱
姓名:陈正学号:PB05210465系别:6系
实验目的:
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:
氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波数为
其中mZ为原子核质量，me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。