氫光譜的研究

1、氫原子光譜的研究直至目前，對(duì)元素的光譜進(jìn)行研究仍然是了解原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。通過對(duì)原子光譜的研究使得我們了解了原子內(nèi)部電子的自旋運(yùn)動(dòng)。光譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)曾被認(rèn)為是不同的同位素所發(fā)出的譜線，后來又被許多理論和實(shí)驗(yàn)如塞曼效應(yīng)等證實(shí)，這些譜線是由單一的同位素由于原子核的自旋而發(fā)出的。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)氫原子光譜的研究，初步認(rèn)識(shí)電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)只能處于一系列能量不連續(xù)的狀態(tài)，并獲得氫原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 ；2、 了解棱鏡攝譜儀的原理及相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理可見光區(qū)域氫光譜的分布規(guī)律，指出各譜線的波長(zhǎng)可由下式表示： （1）式中為正整數(shù)3、4、5，。 （1）式就是巴爾末公式。符合

2、這個(gè)公式的一系列氫光譜線系稱為巴爾末系。以后又發(fā)現(xiàn)了氫原子的其他線系。為了更加清楚地表明譜線分布規(guī)律，里德伯把巴爾末公式改用波數(shù)表示如下： （2）稱為氫光譜的里德伯常數(shù)，近代的測(cè)量值為 為了解釋氫原子光譜的規(guī)律性，在這些完全從實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，玻爾（Bohr）在盧瑟福原子模型的基礎(chǔ)上，把庫(kù)侖定律、牛頓第二定律以及普朗克量子理論運(yùn)用于原子系統(tǒng)，建立了氫原子理論，得到氫原子的內(nèi)部能量為： ， （3）（3）式表示氫原子能量的數(shù)值是分立的，不連續(xù)的。當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，發(fā)射的單色光譜先的波數(shù)為： （4）比較（2）式和（4）式，玻爾得到理論上的里德伯常數(shù)為： 隨著科學(xué)技

3、術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)知道氫原子光譜有著更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，巴爾末公式也只能作為一個(gè)一級(jí)近似的規(guī)律。在量子力學(xué)建立之后，原子光譜才得到了較完善的解釋。本實(shí)驗(yàn)僅研究氫光譜的可見光部分。利用攝譜儀把氫光譜和鐵光譜并列拍攝，以鐵譜線（已知各條譜線的波長(zhǎng)）來作為“光譜尺”，并通過阿貝比長(zhǎng)儀來對(duì)氫譜線進(jìn)行測(cè)量。在具體計(jì)算時(shí)，可以利用內(nèi)插法來近似計(jì)算出波長(zhǎng)值。當(dāng)譜線分布在很小范圍時(shí)，可以認(rèn)為譜線的排列和它們?cè)谡障嗟灼系木嚯x是成正比例展開的，若要測(cè)定某一氫譜線的波長(zhǎng)，可以線查出此線鄰近的另兩條鐵譜線的波長(zhǎng)，如圖1用比長(zhǎng)儀測(cè)出它們的距離，用公式求出。 圖1 氫譜和鐵譜圖然后再將各譜線的波長(zhǎng)值代入公式（2）中，求

4、得里德伯常數(shù)，并計(jì)算平均值后，與公認(rèn)值比較。需要說明的是，鐵譜圖給出的波長(zhǎng)是常溫下空氣中的波長(zhǎng)，而一般給出的值都是真空中的值。因空氣的折射率為1.00029，因此真空中的波長(zhǎng)為的計(jì)算只須把所求得的值和對(duì)應(yīng)的值代入巴耳末公式中即可算出。3、 實(shí)驗(yàn)裝置（1） 棱鏡攝譜儀 棱鏡攝譜儀外形如圖2 ，其基本組成部分有：導(dǎo)軌1，機(jī)座2，電極架3，光源聚光鏡4，狹縫5，入射光管6，棱鏡旋轉(zhuǎn)手輪7，出射光管8，攝影箱9，機(jī)罩（內(nèi)有色散棱鏡）10，看譜管11。另有哈得曼光闌，形狀如圖3， 其主要目的是在拍攝譜線時(shí)，移動(dòng) 光闌來使氫光譜和鐵光譜有個(gè)相對(duì)的 圖2 棱鏡攝譜儀錯(cuò)位，有利于識(shí)譜和讀譜。（2） 交流電弧發(fā)

5、生器當(dāng)打開電源開關(guān)后產(chǎn)生高頻高壓 ，使兩電極間產(chǎn)生放電，點(diǎn)燃電弧。因電極是鐵制的，所以電極產(chǎn)生的光譜為鐵光譜。 圖3 哈得曼光闌（3） 氫光燈用來提供氫原子光譜，但要注意的 是，用調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓時(shí)，電壓不可過高。4、 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 熟悉攝譜儀和交流電弧發(fā)生器各部件的作用；（2） 開啟電弧發(fā)生器，激發(fā)純鐵光源（上電極為純銅，下電極為純鐵），并調(diào)節(jié)聚光鏡4及電極支架3，使光點(diǎn)正射到狹縫5上；（3） 將看譜管裝于支架8上，觀察鐵的譜線，并與標(biāo)準(zhǔn)鐵譜對(duì)照，找到的鐵譜線，轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡旋轉(zhuǎn)手輪7，使之處于看譜窗口的中間位置，此時(shí)棱鏡旋轉(zhuǎn)手輪的刻度值大約在度（參考值）左右，這樣，在拍攝時(shí)，就可以將可見光區(qū)域的

6、譜線全部拍攝到底片上了； （4） 關(guān)閉電弧發(fā)生器，保持電極架以及聚光鏡位置不變。當(dāng)以上步驟調(diào)整完畢后，就可以進(jìn)行光譜的拍攝了，由于氫光燈管與狹縫的相對(duì)位置教難調(diào)整，故先進(jìn)行氫光譜的拍攝。（5） 打開氫燈，調(diào)節(jié)變壓器到合適位置，移動(dòng)燈管支架位置，用看譜管觀察譜線直至最亮；（6） 取下看譜管換上攝影架，裝上內(nèi)有底片的攝影盒，物鏡的焦距為13.5，暗盒角度為，板移為45。并調(diào)節(jié)哈得曼光闌，打開曝光開關(guān)進(jìn)行氫光譜的拍攝（曝光時(shí)間約為4分鐘）；（7） 移走氫光燈，移動(dòng)哈得曼光闌，使用另一相鄰孔，打開曝光開關(guān)進(jìn)行鐵光譜的拍攝（曝光時(shí)間約為40秒）；（8） 到暗室沖洗底片，用比長(zhǎng)儀測(cè)定巴爾末系各波長(zhǎng)，計(jì)算里

7、德伯常數(shù)，并與公認(rèn)值比較。5、注意事項(xiàng)（1） 在實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)作一個(gè)攝譜計(jì)劃，考慮每個(gè)細(xì)節(jié)；（2） 注意安全，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程；（3） 曝光時(shí)間可詢問指導(dǎo)教師。6、 思考題（1） 為何在拍攝光譜時(shí)，暗盒要有一角度的要求？（2） 氫燈的電壓為何不能調(diào)到太高的電壓？附：1、 色散棱鏡 WPL型棱鏡攝譜儀的色散棱鏡是用一塊光學(xué)玻璃磨制的，這種恒偏向棱鏡（既任何波長(zhǎng)的光線以最小偏向角通過棱鏡時(shí)，光的入射方向與出射方向始終保持直角狀態(tài)）叫阿貝（Abbe）棱鏡。2、 氫燈 氫燈是一種冷陰極氣體輝光燈，發(fā)光基本過程是：自由電子被外加電場(chǎng)加速：當(dāng)運(yùn)動(dòng)的電子與氣體原子碰撞時(shí)，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)交給原子而使其激發(fā)：受激原子返回較低能態(tài)和基態(tài)時(shí)，所吸收的能量以輻射發(fā)光的形式釋放出來。3、 比長(zhǎng)儀 6W型比長(zhǎng)儀外形如圖4所示。它是用兩個(gè)顯微鏡相互配合來測(cè)量距離的。左邊一個(gè)是看譜顯微鏡，右邊一個(gè)是讀數(shù)顯微鏡。松開緊固螺釘，置物臺(tái)可左右移動(dòng)。將欲測(cè)譜線與看譜顯微鏡的豎刻線對(duì)準(zhǔn)后，可在讀數(shù)顯微鏡上讀出具體數(shù)值。在讀數(shù)顯微鏡的視場(chǎng)中，如圖5，可以看見螺旋線和一圓形刻度尺，它們組成螺旋微米計(jì)的讀數(shù)部分。圓形尺共100個(gè)分格，每一分格為，并可以估讀到下一位。當(dāng)看譜顯微鏡中豎刻線對(duì)準(zhǔn)待測(cè)譜線時(shí)，讀譜顯微鏡中總有一條刻線落在副標(biāo)尺的刻度范圍內(nèi)。讀出以毫米為單位的整數(shù)值