氫原子光譜-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上氫原子光譜 摘 要：本實(shí)驗(yàn)用光柵光譜儀對(duì)氫原子光譜進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得了氫原子光譜巴爾末線系的波長(zhǎng)，求出了里德伯常數(shù)。最后對(duì)本實(shí)驗(yàn)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，光柵光譜儀1. 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(duì)氫光譜測(cè)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(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)原子物理學(xué)和量子力學(xué)的發(fā)展起過(guò)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(duì)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

2、在。通過(guò)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(gè)最精確的常數(shù)之一，成為檢驗(yàn)原子理論可靠性的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量其他基本物理常數(shù)的依據(jù)。2. 氫原子光譜氫原子光譜是最簡(jiǎn)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(xué)家巴爾末根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出氫原子光譜在可見(jiàn)光區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)公式（1）式中H為氫原子譜線在真空中的波長(zhǎng)。0364.57是一經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。取3，4，5等整數(shù)。若用波數(shù)表示，則上式變?yōu)?（2）式中H稱為氫的里德伯常數(shù)。根據(jù)玻爾理論，對(duì)氫和類氫原子的里德伯常數(shù)的計(jì)算，得 （3）式中為原子核質(zhì)量，為電子質(zhì)量，e為電子電荷，c為光速，h為普朗克

3、常數(shù)，0為真空介電常數(shù)，z為原子序數(shù)。當(dāng)M時(shí)，由上式可得出相當(dāng)于原子核不動(dòng)時(shí)的里德伯常數(shù)(普適的里德伯常數(shù)) （4）所以 R=RH（1+m/MH） （5）對(duì)于氫，有 （6）這里H是氫原子核的質(zhì)量。由此可知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得氫的巴爾末線系的前幾條譜線的波長(zhǎng)，借助（6）式可求得氫的里德伯常數(shù)。里德伯常數(shù)是重要的基本物理常數(shù)之一，對(duì)它的精密測(cè)量在科學(xué)上有重要意義，目前它的推薦值為R.(83)/m。表1為氫的巴爾末線系的波長(zhǎng)表。譜線符號(hào)波長(zhǎng)（nm）H656.280H486.133H434.047H410.174H397.007H388.906H383.540H379.791H377.063H375.015

4、表1氫的巴爾末線系波長(zhǎng)值得注意的是，計(jì)算RH和R時(shí)，應(yīng)該用氫譜線在真空中的波長(zhǎng)，而實(shí)驗(yàn)是在空氣中進(jìn)行的，所以應(yīng)將空氣中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成真空中的波長(zhǎng)。即真空空氣，氫巴爾末線系前6條譜線的修正值如表2所示。氫譜線HHHHHH(nm)0.1810.1360.1210.1160.1120.110表2波長(zhǎng)修正值3. 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)中用的儀器室WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀，其主要由光柵單色儀、接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元、計(jì)算機(jī)組成。其光學(xué)原理圖如圖所示，入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍02.5mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫，位于反射式準(zhǔn)光鏡的焦面上，通過(guò)入射的光束經(jīng)反射

5、成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡成像在上和上，通過(guò)可以觀察光的衍射情況，以便調(diào)節(jié)光柵；光通過(guò)后用光電倍增管接收，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。圖光柵光譜儀光學(xué)原理圖圖閃耀光柵示意圖在光柵光譜儀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(yīng)點(diǎn)上反射的光線。和是以角入射的光線。和是以角衍射的兩條光線。和兩條光線之間的光程差是（sinsin），其中是相鄰刻槽間的距離，稱為光柵常數(shù)。當(dāng)光程差滿足光柵方程（sinsin）， ，時(shí)，光強(qiáng)有一極大值，或者說(shuō)將出現(xiàn)一亮的光譜線。對(duì)同一，根據(jù)、可以確定衍射光的波長(zhǎng)，這就是光柵測(cè)量光譜的原理。閃耀光柵將同一波長(zhǎng)的衍射光集中到某

6、一特定的級(jí)上。為了對(duì)光譜掃描，將光柵安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)上，轉(zhuǎn)盤(pán)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，可以改變?nèi)肷浣?，改變波長(zhǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)較大波長(zhǎng)范圍的掃描，軟件中的初始化工作，就是改變的大小，改變測(cè)試波長(zhǎng)范圍。4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析先測(cè)定氦光源的譜線，在“讀取數(shù)據(jù)”項(xiàng)下對(duì)曲線進(jìn)行尋峰，讀出波長(zhǎng)，和定標(biāo)光源的已知譜線(附后)波長(zhǎng)相比較，對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行修正。將光源換成氫燈，測(cè)量氫光譜的譜線，由軟件自動(dòng)尋峰功能得到波長(zhǎng)如表3。譜線HHHH光譜波長(zhǎng)/nm409.7433.6485.6656.2譜線相對(duì)能量31.786.7329.2751.4表3 氫原子光譜波長(zhǎng)利用表2將空氣中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成真空中的波長(zhǎng)，并利用計(jì)算里德伯常數(shù)如表4。

7、譜線HHHH真空中譜波長(zhǎng)/nm409.8433.7485.7656.4n6543里德伯常數(shù)/107m-11.0981.0981.0981.097表4氫譜線真空中的波長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)的里德伯常數(shù)里德伯常數(shù)的平均值為計(jì)算普適里德伯常數(shù)R：R=RH（1+m/MH）其中m=9.10910-31kg， MH=1.67310-27kg，所以R=1.00054RH=1.098107m-1R的推薦值是R.(83)/m，故相對(duì)誤差為=|R-R推薦|R推薦100%=0.0571%5. 實(shí)驗(yàn)討論(1)氫光譜巴爾末線系的極限波長(zhǎng)是多少?由對(duì)于極限波長(zhǎng)，即n時(shí)，=364.57nm (2)譜線計(jì)算值具有唯一的波長(zhǎng)，但實(shí)測(cè)譜線有一定寬度，其主要原因是什么?任何實(shí)測(cè)譜線都有一定的寬度，主要是由以下原因造成的：a)由海森伯不確定原理，Eth，由于測(cè)量時(shí)間是有限的，故測(cè)得的能級(jí)有一定展寬。b)由于發(fā)生輻射躍遷的氫原子與探測(cè)器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引入的展寬。c)原子碰撞時(shí)原子間相互作用引入的展寬。d)實(shí)驗(yàn)儀