專題試驗(yàn)光源光譜實(shí)驗(yàn)

光源光譜實(shí)驗(yàn)專題試驗(yàn)前言光源是光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器中主要器件，研究其光譜亦是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。本專題主要研究氫光譜、鈉光譜和汞光譜的特性。實(shí)驗(yàn)所用儀器為；分光計(jì)、小型棱鏡攝（讀）譜儀、光柵光譜儀，以及光柵、三棱鏡等光學(xué)元件。專題包括四部分：一、用光柵衍射法測汞光譜并與棱鏡光譜對(duì)比二、用光柵衍射法測氫光譜并計(jì)算里德堡常數(shù)三、用小型棱鏡攝（讀）譜儀測氫光譜四、用光柵光譜儀測定汞光譜一、用光柵衍射法測汞光譜并與棱鏡光譜對(duì)比實(shí)驗(yàn)要求：1、用衍射光柵測定汞燈光譜線波長；（已知汞綠光波長為λ=546.07nm，以此波長確定光柵常數(shù)）。繪出汞燈的光柵光譜圖。2、觀察汞燈的棱鏡光譜，繪出汞燈的棱鏡光譜圖。3、分析兩種光譜，說明二者的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)儀器：分光計(jì)（參閱分光計(jì)實(shí)驗(yàn)）汞燈—在高壓作用下汞蒸汽發(fā)光衍射光柵、三棱鏡光柵衍射原理φθθφλdλ

光柵衍射

平行光垂直入射光柵

平行光管abc望遠(yuǎn)鏡

(有關(guān)光柵衍射原理的詳細(xì)介紹清參閱“衍射”專題)棱鏡光譜（背景為彩色連續(xù)光譜）k=-1k=+1k=0光柵光譜：數(shù)據(jù)處理1、根據(jù)觀察，繪出汞光源的光柵光譜圖、棱鏡光譜圖。進(jìn)行對(duì)比、分析，說明其特點(diǎn)。2、由已知綠光波長計(jì)算光柵常數(shù)d值及不確定度。3、根據(jù)d值計(jì)算其他各譜線的波長及不確定度。4、根據(jù)雙黃線的衍射角計(jì)算光柵的角色散率D值（）。5、實(shí)驗(yàn)誤差分析?！镆髮?duì)各譜線±1、±2級(jí)衍射角各測量6次以上，計(jì)算波長。二、用光柵衍射法測氫光譜并計(jì)算里德堡常數(shù)實(shí)驗(yàn)要求：實(shí)驗(yàn)儀器：分光計(jì)（參閱分光計(jì)實(shí)驗(yàn)）氫譜光源鈉燈—在高壓作用下鈉蒸汽發(fā)光衍射光柵1、用鈉光燈測定光柵常數(shù)。已知鈉光波長λ=589.3nm2、測定氫原子光譜的巴爾末線系中α、β、γ、四條譜線的波長，并計(jì)算氫原子的里德堡常數(shù)。在充有純凈氫氣的放電管的兩端，加適當(dāng)?shù)碾妷?，氫原子受到加速電子的碰撞，被激發(fā)，產(chǎn)生輻射，此過程即為輝光放電。輝光放電發(fā)出的光就可以作為氫譜光源。實(shí)驗(yàn)中所用氫放電管中的氫是由下述方法獲得的。在放電管的支管內(nèi)裝有氫氧化鈉，氫氧化鈉所吸收的水隨時(shí)可蒸發(fā)，以保持放電管中有一定壓強(qiáng)的水蒸氣。通電后，水蒸氣離解為氧和氫，氧被銅電極吸收，則放電管內(nèi)只留下氫。使用這種放電管時(shí)切勿倒置，以防氫氧化鈉將支管堵死。為保護(hù)氫放電管電源，放電電流不要超過8mA。

氫譜光源無氧銅電極氫氧化鈉實(shí)驗(yàn)原理可見光區(qū)域氫光譜譜線稱為巴爾末線系，其分布規(guī)律為：（光柵衍射原理見實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二）是實(shí)驗(yàn)常數(shù)，稱為里德伯(Rydberg)常數(shù)。

由上式確定的氫譜線為巴爾末線系，當(dāng)n＝3，4，5，6時(shí)，所得的譜線分別標(biāo)記為、、、。巴爾末系光柵光譜k=0k=-1k=+1k=0數(shù)據(jù)處理1、測量鈉光±1、±2級(jí)譜線衍射角6次，由已知鈉光波長計(jì)算光柵常數(shù)d值及不確定度。2、測量氫光譜巴爾末系各譜線的±1、±2級(jí)譜線衍射角6次，根據(jù)d值計(jì)算各譜線波長及不確定度。3、根據(jù)氫光譜巴爾末系各譜線的波長計(jì)算里德堡常數(shù)，并與公認(rèn)值對(duì)比。4、實(shí)驗(yàn)誤差分析。三、小型棱鏡讀（攝）譜儀測氫原子光譜實(shí)驗(yàn)要求：1、學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)小型棱鏡讀（攝）譜儀；2、用讀譜的方法測定氦氖光源各譜線位置坐標(biāo)；3、與標(biāo)準(zhǔn)譜線比較，標(biāo)定各譜線波長；4、用讀譜的方法測定氫光源各譜線位置坐標(biāo)；5、與氦氖譜線比較，用內(nèi)插法計(jì)算巴爾末系譜線波長；6、根據(jù)巴爾末系譜線波長，計(jì)算里德堡常數(shù)，與公認(rèn)值比較，并進(jìn)行誤差分析。實(shí)驗(yàn)儀器1、小型棱鏡讀（攝）譜儀；2、氫譜光源（見實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之二）；3、氦氖譜光源—輝光放電發(fā)光

小型棱鏡讀（攝）譜儀測微目鏡鼓輪調(diào)解狹縫調(diào)節(jié)氦氖光源氦氖燈電源位移調(diào)節(jié)手輪（攝譜用）小型棱鏡讀（攝）譜儀光路鼓輪測微目鏡

a.攝譜儀光路b.讀譜部分棱鏡讀（攝）譜儀光路圖

L—聚光鏡L1—平行光管透鏡L2—暗箱物鏡S—光源S1—平行光管狹逢S2—暗箱狹縫（讀普用）F—底片（攝譜用）光路元件比較譜與待測譜內(nèi)插法計(jì)算待測譜線波長：A’ABD’CDEC’iFGHI’IJJ’恒偏向角棱鏡原理〔小型棱鏡讀（攝）譜儀元件之一〕是實(shí)驗(yàn)常數(shù)，稱為里德伯(Rydberg)常數(shù)。

由上式確定的氫譜線為巴爾末線系，當(dāng)n＝3，4，5，6時(shí)，所得的譜線分別標(biāo)記為、、、。求里德堡常數(shù)的值，并與的公認(rèn)值進(jìn)行比較。試驗(yàn)操作提示1、攝譜儀狹縫前放好氫譜光源并接通電源，調(diào)節(jié)光源位置，調(diào)整攝譜儀（狹縫、鼓輪及測微目鏡），使從目鏡中觀察到的譜線最明亮，記住氫譜線的大致位置。2、換上氦氖放電管，調(diào)整其位置，使觀察到的譜線最明亮；對(duì)照實(shí)驗(yàn)室的光譜圖，辨認(rèn)出氫譜紅線兩側(cè)的7條較亮氦氖譜線對(duì)應(yīng)的波長。7條譜線的選擇應(yīng)使待測氫線位于中間一條氦氖譜線的長波一冊(cè)，且與它相鄰。依次順序測出7條譜線的位置，共測6次，注意測微目鏡每次同向移動(dòng)，以消除空程誤差。3、再換上氫燈，并調(diào)整使譜線最亮（攝譜儀的鼓輪、狹縫等均不得再調(diào)節(jié)）。測量氫譜紅線位置，共測6次。測微目鏡移動(dòng)方向與上項(xiàng)相同。數(shù)據(jù)處理1、計(jì)算7條氦氖譜線位置的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)譜圖，確定氦氖譜線的波長；計(jì)算氫紅線位置的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差；用內(nèi)插法計(jì)算氫紅線的波長。所得波長與公認(rèn)值比較。（n=3,4,5和6所對(duì)應(yīng)的波長值為656.313nm,486.215nm,434.092nm410.177nm）2、由氫譜線波長確定相應(yīng)的n值，計(jì)算里德堡常數(shù)，并與公認(rèn)值對(duì)比。注意事項(xiàng)1、攝譜儀是貴重精密儀器，使用時(shí)必須小心愛護(hù)。特別是狹縫，實(shí)驗(yàn)室已調(diào)好。2、調(diào)節(jié)光源位置時(shí)要注意安全，千萬不要觸及其電源的電極。3、轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪時(shí)動(dòng)作要輕緩，測量時(shí)注意盡量使譜線像與目鏡叉絲消視差，目鏡需單方向平移，以減小空程影響。4、測量中移動(dòng)測微目鏡的測微鼓輪時(shí)不要移動(dòng)目鏡，以防止測微目鏡位置移動(dòng)。5、換光源時(shí)，除移動(dòng)光源外，讀譜儀的其它部分不能再調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)要求：四、光柵光譜儀1、測量鈉燈光譜，進(jìn)行波長偏移修正。2、測量汞燈光譜。3、測量鎢燈光譜，加入濾色片后再測量吸收后的光譜。4、實(shí)驗(yàn)后繪制汞燈光譜，給出主要譜線波長及相對(duì)強(qiáng)度。5、繪制濾色片的吸收率曲線和吸收系數(shù)曲線。

光柵光譜儀配置圖光柵光譜儀電控箱待測光源計(jì)算機(jī)光源電源試驗(yàn)鎢燈光譜儀光源光源電源光電倍增管USB控制器光柵光譜儀配置圖光柵光譜儀光路GM1M2M3M4S1S2S3S㎡光柵光譜儀光路說明S—光源；G—閃耀光柵（鋸齒型反射光柵）；S1—狹縫，光線由此入射；M1—平面鏡，改變光線方向，入射到M2上；M2—凹面反射鏡，具有會(huì)聚和準(zhǔn)值作用，光源發(fā)出的光線經(jīng)M2入射到光柵G上；光柵光譜儀光路說明M3—凹面反射鏡，具有會(huì)聚和準(zhǔn)值作用，衍射光經(jīng)M3入射到M4上；

M4—平面反射鏡，經(jīng)會(huì)聚的衍射光線改變方向，從狹縫S2出射到逢外放置的CCD出；S2—出射光狹縫，外置CCD接受衍射光信號(hào)；S3—出射光狹縫，移去平