实验氢-氘原子光谱

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1、实验氢-氘原子光谱原子光谱的测定与分析，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年巴尔末（J.J.Balmer）总结出了氢光谱线的经验公式。1913年玻尔（N.Bohr），1925年，海森伯（W.Heisenberg）建立起他们的理论都是建筑在原子光谱的测量基础之上的。现在，无论在工业生产部门还是在科学研究领域，原子光谱的观察、测定和分析都是研究原子结构、物质分析的重要方法之一。在物理学、化学化工、材料、生命科学领域内有广泛的实际应用。一实验目的1．掌握WPG-100型平面光栅摄谱仪的工作原理和使用方法，学

2、习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。2．通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长（误差小于0.5Å），验证巴耳末公式并准确测出氢（氘）的里德伯常数。3．测量氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。二实验原理1．原子的激发与辐射原子内部的不同能量状态称为能级。处于基态的原子可以吸收能量而跃迁到较高的能量状态，这个过程称为原子的激发。原子也可以从较高的能级退到较低的能级或基态而放出能量，如果放出的能量取辐射形式，那么放出的能量就成为一个光子的能量hv，这个过程称为原子的辐射。要使原子发光必须先将它

3、激发，原子激发的方式通常分为碰撞激发和光激发两种。具有一定能量的电子、原子、分子与某原子相碰撞而使后者激发称为碰撞激发；原子吸收一个光子引起的激发称为光激发，即光的吸收过程。本实验采用碰撞激发，它又分为热激发和电场引起的碰撞激发两种形式，前者指在高温下各原子有较大的运动速度，相互碰撞而产生激发，本实验的铁光谱就是这种方式产生的。电场引起的碰撞激发是带电粒子在电场作用下加速运动，与原子发生非弹性碰撞使原子激发，氢（氘）光谱就是采用这种方式产生的。2．氢原子光谱的实验规律早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的

4、大量实验数据，发现氢原子光谱可用一个普通的公式表示，即（1）其中：m取1、2、3、4、5等正整数，每一个m值对应一个光谱线系，如当m=2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n取m+1、m+2、m+3、…等正整数，每一个n值对应一条谱线；R称为里德伯常数。式（1）称为广义巴耳末公式。根据光谱实验规律和其它实验结果，玻尔提出了原子结构的量子理论。按照玻尔理论得到的氢原子光谱巴耳末线系的理论公式为6（2）式中为真空介电常数，为普朗克常数，c为光速，e为电子电荷，m为电子质量，M为氢原子核质量。将式（2）写成（3

5、）其中（4）为将核的质量视为无穷大（即假定核固定不动）时的里德伯常数。这样便把里德伯常数和许多基本物理常数联系起来了。因此式（3）和实验结果符合程度就成为检验玻尔理论正确性的重要依据之一。同时由于用光谱实验可测得精确度很高的里德伯常数，因而也成为调准基本物理常数值的重要依据之一。3．同位素位移由于同一元素的不同同位素具有不同的核质量和电荷分布，而引起原子光谱波长的微小差别称为“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复杂的。对于重核，中子数目的增加除了增大原子核的质量外，还使原子核的半径发生变化

6、，它们对同位素的光谱线都有影响。只有像氢原子这样的系统，同位素位移才可以用简单的公式计算。氢原子核是一个质子，其质量为M，氘核比氢核多一个中子，其质量近似为2M。由式（1-2-4）可知氢原子与氘原子的里德伯常数分别为（5）（6）对于巴耳末线系，氢和氘的谱线计算公式分别为（7）（8）对于相同的n，由式（5）~（8）可得6（9）所以（10）上式中的是用代替或计算得到的或的近似值。用式（10）计算时，可取的数值。从实验测得的每一个和可算得的一个值，最后求平均值。三实验装置1．WPG-100型平面光栅摄谱仪（见附录）2．

7、比长仪（见附录）五、实验内容1．拍摄满意的光谱片（1）摄谱前，正确选择摄谱条件，拟订摄谱计划并以表格形式列出。其中包括：狭缝宽度、哈特曼光栏、光栅转角、曝光时间、光源电参数、底板位置等。下面的表1可供参考。表1实验条件选择光源电参数光栅转角狭缝宽度哈特曼光栏曝光时间板移位置氢（氘）铁氢（氘）铁氢（氘）铁（2）熟悉装底片的暗盒结构。在暗室内装好底片，乳剂面朝下，切勿装反。将装好底片的暗盒带出暗室固定在摄谱仪尾部，板移到适当的刻度。（3）摄铁谱A．取两根棒状铁电极，各将其一端磨成半球状，装在电极架上，点亮对光灯，调节

8、两电极间的距离和水平位移，使两电极头的像刚好与中间光栏矩形孔的上、下边缘相切。B．将狭缝宽度和哈特曼光栏调整至你所选取的位置。熄灭对光灯，并将滤色片置于狭缝前的窗口上。C．抽开暗盒挡板，接通电源，将控制选择旋钮拨至“手控”档，将高压电流粗调旋至第一档，工作状态选择旋钮拨至“电弧”档，按动高压开关中的“通”，电弧即启动，开始记曝光时间。到规定摄谱时间后按动高压开关中的“断”