氢氘灯光谱实验报告.docx

氢氘灯光谱试验报告【试验目的】1. 了解平面光栅单色仪的构造与使用方法2. 验证氢同位素的存在用光栅光谱仪测量氢、氘原子光谱巴耳末线系的前四o对谱线波长〔4100 6500A 左右〕，计算氢氘里德伯常数D H3. 通过试验，计算氢和氘的原子核质量比M / M ,计算质子与电子的质量比【试验原理】1.氢、氘原子光谱氢原子光谱是最简洁、最典型的原子光谱用电激发氢放电管〔氢灯〕中的 淡薄氢气〔压力在 102Pa 左右〕，可得到线状氢原子光谱瑞士物理学家巴尔未 依据试验结果给出氢原子光谱在可见光区域的阅历公式式中〔:为氢原子谱线在真空中的波长，■ . = 364.57 nm 是一阅历常数；n 取 3,4,5 等整数假设用波数.表示，则变为式中 1 称为氢的里德伯常数依据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得= 订如矩〉式中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，「为真空介电常数，Z 为原子序数当” —丁时，可得出相当于原子核不动时的里德伯常数〔普适的里德伯常数〕所以n = 尺工s (l+m/AT)对于氢，有& —这里是氢原子核的质量由此可知，通过试验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线的波长，可求得氢的 里德伯常数。

里德伯常数「：:是重要的根本物理常数之一，对它的周密测量在科学上有重要意义，目前它的推举值为= =10973731.568549(83)Ht]383.540H379.791电Hi377.063375.015氢的巴尔末线系波长谱线符号波长(nm)658.280%486.133434.047410.174397.007388.906值得留意的是，计算广X 和•时，应当用氢谱线在真空中的波长，而试验是在空气中进展的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长即氢巴尔末线系前 6 条谱线的修正值如表所示波长修正值+一 ,也真空空气氢谱线0.1810.1360.1210.1160.1120.110AAL(nm)同一元素的不同同位素且有不同的核质量和电荷分布， 由此引起原子光谱波长的微小差异称为“同位素位移”一般来说，元素光谱线同位素位移的定量关 系是很简单的，只有像氢原子这样的系统，同位素位移才可以用简洁的公式计算氢原子核是一个质子，其质量为一；，氘核比氢核多一个中子，其质量为•-由(2.5-6)式可知氘原子的里德伯常数为由(2.5-7)式和(2.5-6)式可知氘氢原子核的质量比对于巴尔末线系，氢和氘的谱线计算公式分别为对于一样的n，由(2.5-9)式和(2.5-10)式可得氢和氘的同位素位移为【试验仪器用具】WGD-8 型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、 电子放大器、A/D 采集单元、计算机组成。

如图 2.5-2 所示入射狭缝、出射狭 缝均为直狭缝，宽度范围 0 ~ 2.5 mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝 S1, S1 位于反射式准光镜M2 的焦面上，通过S1 入射的光束经M2 反射成平行光 束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在S2 上和S3 上，通过 S3 可以观看光的衍射状况，以便调整光 栅；光通过 S2 后用光电倍增管接收，输入计算机进展分析在光栅光谱仅中常使用反射式闪耀光栅如下图，锯齿形是光栅刻痕外形现考虑相 邻刻槽的相应点上反射的光线 PQ 和P” Q”是以I 角入射的光线QR和Q” R”是以I ”角衍射的两条光线PQR 和P” Q R 两条光线之间的光程差 是•」…-， 其中b 是相邻刻槽间的距离，称为光栅常数当光程差满足 光栅方程— _ ，k=0, ± 1, ± 2,…时，光强有一极大值.或者说将消灭一亮的光谱线对同一 k •依据I , I ”可以确定衍射光的波长”，这就是光栅测量光谱的原理闪耀光栅将同一波长的衍射光集中到某一特定的级 K 上为了对光谱扫描，将光栅安装在转盘上，转盘由电机驱动，转动转盘，可以转变 入射角I ,转变波长范围，实现较大波长范围的扫描，软件中的初始化工作， 就是转变I 的大小。

转变测试波长范围试验内容、试验数据以及处理】H D1. 光电倍增管测R , R依据电脑输出数据，得到谱线在空气中的波长 空气，将其修正为真空波长，修正公式为:真空 真空 空气RH(22依据公式11R (22DD依据公式对氢光谱进展处理如下表3H656.310.181656.491 10967400.924H486.450.136486.58610960720.895H434.590.121434.711 10954185.116H410.770.116410.88610951942.87平均值10958562.45n谱线符号空气真空/ nm 1得到 R = 10958562.45H依据公式对氘光谱进展处理如下表n3456平均值谱线符号DDDD空气真空/ nm1 RH656.15486.34434.47410.650.1810.1360.1210.116656.33110970074.55486.47610963199.28434.59110957209.79410.76610955142.3410961406.49得到 RD = 10961406.49由公式 MH1 (丿D1)M /m，其中 3 m =1836。

将“HN3M / M41.7152.0562.05DH1.81入，可以得到:N34谱线名称HDHD中心波长通道横坐标656485863842105010382. CCD 测量654.428654.223485.254485.137空气0.1810.1810.1360.136真空654.609654.404485.390485.27310998932.1911002377.7410987728.0810990377.24RH(D)计算得到R =10993330.14HR =10996377.49DHD依据公式MD 丄」 ，计算得到：M 1 ( /H H1) M / mn=3 时，MD/ M =2.35H时，n=4MDM =1.79/ H【试验中消灭的问题以及思考题解答】1. 留意事项狭缝s1 和s2 宽度和电压调整，电压应当掌握在 500 1000 之间，狭缝宽度应 该掌握到肯定范围之内，狭缝太窄会使得信号太弱难以寻峰，狭缝太宽会使得氢 氘分裂间距小； 要留意让氢氘灯对准狭缝，否则可能会导致搜寻不到光信号；2. 误差分析试验仪器产生的误差；利用测出的数据检峰时产生的误差，可能会有峰不明 显造成的峰值读取的误差。

3. 氢氘光谱分裂间距的影响因素谱线分裂间距与狭缝的宽度有关狭缝宽度越窄，通过的波长宽度约窄，谱 线分裂越明显，分裂间距越大在试验中，为检测到光信号，要掌握狭缝不能太窄，否则信号太弱将无法检 测所以要依据状况对狭缝宽度进展调整。