物理仿真实验氢氘光谱拍摄实验报告

物理仿真实验

氢氘光谱拍摄实验报告

一、实验目的

1．掌握氢氘光谱各谱线系的规律，即计算氢氘里德伯常数RH，RD的方法。

2．掌握获得和测量氢氘光谱的实验方法。

3．学习光栅摄谱仪的运行机理，并学会正确使用。

二、实验仪器及其使用方法

WPS-1自动控制箱，光源：铁电极。电弧发生器，光源：氢氘放电管。中间光阑，哈德曼光阑，摄谱窗口。

平面光栅摄谱仪是以平面衍射光栅作为色散元件的光谱仪器。它的光学系统用Ebert-Fastie装置（垂直对称式装置），其光学系统如图2所示。由光源B(铁电极、氢氘放电管)发射的光，经过消色差的三透镜照明系统L均匀照明狭缝S，再经反射镜P折向球面反射镜M下方的准光镜O1上，经O1反射，以平行光束射到光栅G上，经光栅衍射后，不同方向的单色光束射到球面反射镜的中央窗口暗箱物镜O2处，最后按波长排列聚焦于感光板F上，旋转光栅G，改变光栅的入射角，便可改变拍摄谱线的波段范围和光谱级次。这种装置的入射狭缝S和光谱感光板是垂直平面内对称于光栅G放置的，由于光路结构的对称性，彗差和像散可以矫正到理想的程度，使得在较长谱面范围内，谱线清晰、均匀。同时由于使用球面镜M同时作为准直物镜和摄谱物镜，因此不产生色差，且谱面平直。

使用摄谱仪做光谱实验时必须注意以下事项：

（1）摄谱仪为精密仪器，使用时要注意爱护。尤其是狭缝，非经教师允许，不可以随意调节各旋钮，手柄均应轻调慢调，旋到头时不能再继续用力，不要触及仪器的各光学表面；

（2）燃电弧时，注意操作安全。电弧利用高频高压，点燃后不要用手触及仪器外壳；更换电极时要切断高压电，用绝缘性能好的钳子或手套来更换；电弧有强紫外线辐射，使用时要戴防护眼镜；

（3）铁弧电极上不能有氧化物，应经常磨光，呈圆锥形；调节两电极头之间的距离，注意电极头成像不要进入中间光阑。

三、实验原理

巴尔末总结出来的可见光区氢光谱的规律为：

（n = 3，4，5 ……）

式中的B=364.56nm。此规律可改写为：

式中的为波数，为氢的里德伯常数（109 678cm）。

根据玻尔理论或量子力学中的相关理论，可得出对氢及类氢离子的光谱规律为：

其中，和为整数，z为该元素的核电荷数，相应元素的里德伯常数为：

其中，m和e为电子的质量和电荷，c是真空中的光速，h为普朗克常数，M为原子核的质量。显然，随元素的不同R应略有不同，但当认为M→∞时，便可得到里德伯常量为：

这与玻尔原子理论（即电子绕不动的核运动）所推出的R值完全一样。现在公认的

的值为：10973731m，这与理论值完全符合。有了这样精密测定的里德伯常量，又可以反过来计算还没有测定的某些元素的里德伯常数。即：

比如应用到氢和氘为：

可见，氢和氘的里德伯常数是有差别的，其结果就是氘的谱线相对于氢的谱线会有

微小的位移，叫同位素位移。和是能够直接精确测量的量，测出它们，也就可以计算出氢和氘的里德伯常数。同时还可以计算出氢和氘的原子核质量比。

式中是已知量。注意：波长应为真空中的波长，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是不变的，我们的测量往往是在空气中进行的，所以为精确得到结果时应将空气中的波长转换为真空中的波长。

四、测量内容及数据处理

测量内容

1.拍摄氢氘和铁的光谱。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光孔，分别拍下氢氘和铁的光谱。

2．显示谱片。取下底片盒，到暗室进行显影，定影、水洗等处理得到谱片。

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，区分铁光谱和氢氘光谱，基于在很小的波长范围内可以认为线色散是个常数。如下图所示.用线性内插法就可以算出待测的谱线的波长。在映谱仪上用直尺进行粗测，在阿贝比长仪上进行精确测量计算出氢氘谱线的波长。

4.数据处理。计算出氢氘的里德伯常数，确定其不确定度，给出实验结果表达式。

五、小结

结论

通过实验，掌握了氢氘光谱各谱线系的规律，即计算氢氘里德伯常数RH，RD的方法。掌握获得和测量氢氘光谱的实验方法。学习光栅摄谱仪的运行机理，并学会正确使用

难点

1．正确拟定摄谱计划，拍摄氢氘光谱。

2．哈德曼光阑作用，并能正确使用哈德曼光阑，以实现在不移动暗盒时，在一张底片上拍摄氢氘光谱及标准铁谱。

六、思考题

1．画出氢原子巴耳末线系的能级图，并标出前四条谱线对应的能级跃迁和波长数。

2．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，铁谱图上所标也是空气中的波长。空气的折射率为n=1.00029，应作修正，并将修正后的RH、RD值与公认值比较。