氫氘燈光譜 實驗報告

姓名：aTiaoE-mail：kangyubing@氫氘燈光譜實驗報告【實驗目的】了解平面光柵單色儀的結構與使用方法。驗證氫同位素的存在。用光柵光譜儀測量氫、氘原子光譜巴耳末線系的前四對譜線波長（4100～6500左右），計算氫氘里德伯常數(shù)。通過實驗，計算氫和氘的原子核質(zhì)量比,計算質(zhì)子與電子的質(zhì)量比?！緦嶒炘怼繗洹㈦庸庾V氫原子光譜是最簡單、最典型的原子光譜。用電激發(fā)氫放電管（氫燈）中的稀薄氫氣（壓力在102Pa左右），可得到線狀氫原子光譜。瑞士物理學家巴爾未根據(jù)實驗結果給出氫原子光譜在可見光區(qū)域的經(jīng)驗公式 λH=λ0n2n2-4 式中λH為氫原子譜線在真空中的波長，λ若用波數(shù)νH νH~=1λH=RH(12式中RH 根據(jù)玻爾理論，對氫和類氫原子的里德伯常數(shù)的計算，得 RZ=2π2m?4式中M為原子核質(zhì)量，m為電子質(zhì)量，e為電子電荷，c為光速，h為普朗克常數(shù)，ε0當m→∞時，可得出相當于原子核不動時的里德伯常數(shù)（普適的里德伯常數(shù)） R∞=2π2m?所以 Rz=R∞1+m∕對于氫，有 RH=R∞1+m∕MH這里是氫原子核的質(zhì)量。由此可知，通過實驗測得氫的巴爾末線系的前幾條譜線的波長，可求得氫的里德伯常數(shù)。里德伯常數(shù)R∞R∞=10973731.568549(83)氫的巴爾末線系波長譜線符號波長(nm)H658.280H486.133H434.047H410.174H397.007H388.906Hη383.540H379.791H377.063H375.015值得注意的是，計算RH和R∞時，應該用氫譜線在真空中的波長，而實驗是在空氣中進行的，所以應將空氣中的波長轉(zhuǎn)換成真空中的波長。即λ真空=λ空氣＋波長修正值氫譜線HHHHHHΔ0.1810.1360.1210.1160.1120.110關于MD/同一元素的不同同位素且有不同的核質(zhì)量和電荷分布，由此引起原子光譜波長的微小差別稱為“同位素位移”。一般來說，元素光譜線同位素位移的定量關系是很復雜的，只有像氫原子這樣的系統(tǒng)，同位素位移才可以用簡單的公式計算。氫原子核是一個質(zhì)子，其質(zhì)量為MH，氘核比氫核多一個中子，其質(zhì)量為MD。由(2.5-6)式可知 RD=R∞1+m∕2由(2.5-7)式和(2.5-6)式可知氘氫原子核的質(zhì)量比 MDMH=R對于巴爾末線系，氫和氘的譜線計算公式分別為 νH~=1λH=RH( νD~=對于相同的n，由(2.5-9)式和(2.5-10)式可得氫和氘的同位素位移為 Δλ=λ【實驗儀器用具】WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀、接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元、計算機組成。如圖2.5-2所示。入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0~2.5mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進入入射狹縫S1，S1位于反射式準光鏡M2的焦面上，通過S1入射的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成像在S2上和S3上，通過S3可以觀察光的衍射情況，以便調(diào)節(jié)光柵；光通過S2后用光電倍增管接收，輸入計算機進行分析。在光柵光譜僅中常使用反射式閃耀光柵。如圖所示，鋸齒形是光柵刻痕形狀?，F(xiàn)考慮相鄰刻槽的相應點上反射的光線。PQ和P’Q’是以I角入射的光線。QR和Q’R’是以I'角衍射的兩條光線。PQR和P’Q’R’兩條光線之間的光程差是bsin bsin時，光強有一極大值．或者說將出現(xiàn)一亮的光譜線。對同一k．根據(jù)I,I’可以確定衍射光的波長λ，這就是光柵測量光譜的原理。閃耀光柵將同一波長的衍射光集中到某一特定的級K上。為了對光譜掃描，將光柵安裝在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，可以改變?nèi)肷浣荌，改變波長范圍，實現(xiàn)較大波長范圍的掃描，軟件中的初始化工作，就是改變l的大小。改變測試波長范圍?！緦嶒瀮?nèi)容、實驗數(shù)據(jù)以及處理】光電倍增管測,根據(jù)電腦輸出數(shù)據(jù)，得到譜線在空氣中的波長，將其修正為真空波長，修正公式為：=+根據(jù)公式根據(jù)公式對氫光譜進行處理如下表得到=10958562.45根據(jù)公式對氘光譜進行處理如下表得到=10961406.49由公式,其中=1836。將、帶入，可以得到：N34561.811.712.052.05CCD測量N34譜線名稱中心波長656485通道橫坐標86384210501038654.428654.223485.254485.1370.1810.1810.1360.136654.609654.404485.390485.27310998932.1911002377.7410987728.0810990377.24計算得到=10993330.14=10996377.49根據(jù)公式，計算得到：n=3時，=2.35n=4時，=1.79【實驗中出現(xiàn)的問題以及思考題解答】注意事項狹縫和寬度和電壓調(diào)整，電壓應該控制在500～1000之間，狹縫寬度應該控制到一定范圍之內(nèi)，狹縫太窄會使得信號太弱難以尋峰，狹縫太寬會使得氫氘分裂間距??；要注意讓氫氘燈對準狹縫，否則可能會導致搜索不到光信號；誤差分析實驗儀器產(chǎn)生的誤差；利用測出的數(shù)據(jù)檢峰時產(chǎn)生的誤差，可能會有峰不明顯造成的峰值讀取