氫原子光譜實驗報告-完成版.doc

氫原子光譜 中文摘要：本實驗用三棱鏡對汞原子光譜進(jìn)行測量，得出定標(biāo)曲線；再對氫原子光譜進(jìn)行測量，測得了氫原子光譜巴爾末線系的波長，求出了里德伯常數(shù)。最后對本實驗進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：氫原子光譜，里德伯常數(shù)，巴爾末線系，三棱鏡，汞原子光譜中圖分類號：O433.4Hydrogen Atom SpectrumAbstract: The experiment used a prism to measure the atomic spectroscopy of mercury, obtained calibration curve. Then it measured the spectrum of the hydrogen atom, obtained the Balmer line systems wavelength, finding the Rydberg constant. Finally, the experiment has some discussions.Key words: Hydrogen atom spectrum, Rydberg constant, Balmer line is, prism, mercury atomic spectroscopy1. 引言光譜線系的規(guī)律與原子結(jié)構(gòu)有內(nèi)在的聯(lián)系，因此，原子光譜是研究原子結(jié)構(gòu)的一種重要方法。1885年巴爾末總結(jié)了人們對氫光譜測量的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了氫光譜的規(guī)律，提出了著名的巴爾末公式，氫光譜規(guī)律的發(fā)現(xiàn)為玻爾理論的建立提供了堅實的實驗基礎(chǔ)，對原子物理學(xué)和量子力學(xué)的發(fā)展起過重要作用。1932年尤里根據(jù)里德伯常數(shù)隨原子核質(zhì)量不同而變化的規(guī)律，對重氫賴曼線系進(jìn)行攝譜分析，發(fā)現(xiàn)氫的同位素氘的存在。通過巴爾末公式求得的里德伯常數(shù)是物理學(xué)中少數(shù)幾個最精確的常數(shù)之一，成為檢驗原子理論可靠性的標(biāo)準(zhǔn)和測量其他基本物理常數(shù)的依據(jù)。2. 氫原子光譜的實驗原理 處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，它要向比低的能態(tài)（可以是另一激發(fā)態(tài)，也可以是基態(tài)）躍遷。在躍遷的同時，原子將發(fā)出能量為的光子。從能量的觀點看，=-=式中，為普朗克常量，=6.62606896，為光子頻率，為光波波長，是光速。 不同原子有其特有的激發(fā)態(tài)分布（能級圖）有其特征的光譜系。 對于最簡單的氫原子，其發(fā)出光波的波數(shù)（波長的倒數(shù)，單位是）經(jīng)理論計算可表示為式中，是電子電荷，是電子質(zhì)量，為里德伯常量其意義是被游離的電子（）回到基態(tài)（）時所發(fā)出的光波的波數(shù)。當(dāng)，2,3,4，時，為萊曼線系；當(dāng)=2，,3,4,5，時，為巴耳末線系；當(dāng)=3，,4,5,6，時，為帕邢線系； 因為巴耳末線系的譜線波長在可見光范圍內(nèi)，所以通過棱鏡的色散或光柵的衍射等方法就可以觀察到這些譜線。本實驗將通過對氫原子特征譜線波長的測量，來驗算里德伯常量。 氫原子特征譜線波長的測量可作如下考慮： 利用高電壓激發(fā)的汞燈來獲得汞原子光譜（汞的原子光譜線波長已知，如圖一所示）。利用高電壓激發(fā)的氫燈來獲得氫的原子光譜，用分光計測量光譜線的偏向角圖一：汞譜線的波長和強(qiáng)度 復(fù)合光在不同介質(zhì)中傳播時會發(fā)生色散現(xiàn)象。三棱鏡的主要作用是使光線的行進(jìn)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的折射光方向和原來的入射光方向之間的夾角稱為偏向角。當(dāng)入射角等于出射角時，青譜線偏向角達(dá)到最小，稱為青譜線的最小偏向角。為了保證各個譜線入射角相等，調(diào)節(jié)青譜線偏向角，使其達(dá)到最小。根據(jù)棱鏡的色散原理，借助于分光計測量汞原子譜線7條特征譜線的偏向角，根據(jù)已知波長，作出定標(biāo)曲線。 將分光計整體移到氫燈窗口，測量氫原子3條特征譜線的偏向角。 根據(jù)定標(biāo)曲線，測出3條特征譜線波長，根據(jù)公式，求出里德伯常量。3. 實驗內(nèi)容與步驟1.調(diào)節(jié)分光計2.利用高壓汞燈的譜線（其波長作為已知），畫偏向角和波長關(guān)系曲線定標(biāo)曲線3.測量氫譜線波長4.驗算里德伯常量4. 實驗數(shù)據(jù)處理與分析1. 高壓汞燈入射線表一：高壓汞燈的實驗數(shù)據(jù)特征譜線波長（nm）譜線位置偏向角紅690.71705535055260554727橙623.41703035030260304752黃577.01701035010260104812綠546.11695134951259514831青491.61698349825984914藍(lán)435.81684348425845018紫404.71671034710257105112 圖二：定標(biāo)曲線2. 氫燈 表二：氫燈的實驗數(shù)據(jù)特征譜線譜線位置偏向角從曲線中查出（nm）波數(shù)（）里德伯常量()里德伯常量平均值（）紅17045350452604547376601.5151.0911.092青16963496259649164888.1971.093藍(lán)相對誤差5. 誤差分析1.任何實測譜線都有一定的寬度，本實驗中譜線的寬度將會造成實驗誤差。譜線寬度主要是由以下原因造成的：1)由海森伯不確定原理，Eth，由于測量時間是有限的，故測得的能級有一定展寬。2)由于發(fā)生輻射躍遷的氫原子與探測器之間的相對運(yùn)動而引入的展寬。3)由于實驗儀器的靈敏度引入的展寬。2.狹縫的寬度會對實驗的精確度產(chǎn)生影響。3.實驗室中其他光對實驗的影響。4.儀器臺的震動。5.定標(biāo)曲線由一次測量得到，由定標(biāo)曲線所讀出的氫燈特征譜線波長的誤差。6.分光計的調(diào)節(jié)存在誤差。7.儀器自身的誤差。6. 實驗討論1.若將三棱鏡換成光柵，能否測得里德伯常量？兩者基于的分光原理及譜線現(xiàn)象有何差別？能測出里德伯常量。分光原理三棱鏡是光的色散，光柵是光的衍射。譜線現(xiàn)象三棱鏡將會觀察到光的色散現(xiàn)象，而光柵則會觀察到中央白光，兩端對稱彩色條紋，譜線按波長排列（內(nèi)紫外紅）。2.實驗中要求按青色譜線作最小偏向角調(diào)節(jié)，是基于什么考慮？在測氫光譜偏向角時，萬一入射角改變，也是氫的青譜線的偏向角等于最小偏向角。由于這兩條譜線的波長很接近，而對于同一棱鏡來講，一定波長的入射角對應(yīng)的入射光對應(yīng)的最小偏向角也是固定的，這樣，在這兩種情況下，可以認(rèn)為平行光管和棱鏡之間的相對位置沒有變動。3.實驗中未觀察到氫燈的藍(lán)色譜線的原因：設(shè)備老化，氫光源老化。使得本就不太明顯的藍(lán)色譜線觀察不到。7. 結(jié)論 本實驗主要通過三棱鏡以及汞燈的定標(biāo)曲線測出氫原子光譜的譜線波長，驗證了巴耳末公式的重要性，并能準(zhǔn)確測量里德伯常量。8. 參考文獻(xiàn)1李相