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文檔簡介

1、氫原子光譜摘 要:本文介紹了氫原子光譜和光柵光譜儀的性能與用法,并用光柵光譜儀測量氫原子光譜巴爾末線系的波長,對數(shù)據(jù)進行分析討論,求出里德伯常數(shù)。關(guān)鍵字:氫原子光譜,里德伯常數(shù),巴爾末線系,光柵光譜儀引言光譜線系的規(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)了人們對氫光譜測量的結(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實的實驗基礎(chǔ),對原子物理學(xué)和量子力學(xué)的發(fā)展起過重要作用。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,對重氫賴曼線系進行攝譜分析,發(fā)現(xiàn)氫的同位素氘的存在。通過巴爾末公式求得

2、的里德伯常數(shù)是物理學(xué)中少數(shù)幾個最精確的常數(shù)之一,成為檢驗原子理論可靠性的標準和測量其他基本物理常數(shù)的依據(jù)。1. 實驗原理氫原子光譜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(xué)家巴爾末根據(jù)實驗結(jié)果給出氫原子光譜在可見光區(qū)域的經(jīng)驗公式(1)式中H為氫原子譜線在真空中的波長。0364.57是一經(jīng)驗常數(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,對氫和類氫原子的里德伯常數(shù)的計算,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為普朗克常數(shù),0為真空

3、介電常數(shù),z為原子序數(shù)。當(dāng)M時,由上式可得出相當(dāng)于原子核不動時的里德伯常數(shù)(普適的里德伯常數(shù)) (4)所以 R=RH(1+m/MH) (5)對于氫,有 (6)這里H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,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,對它的精密測量在科學(xué)上有重要意義,目前它的推薦值為R10973731.568549(83)/m。表1為氫的巴爾末線系的波長表。譜線符號波長(nm)H656.280H486.133H434.047H410.174H397.007H388.906H383.540H379.791H377.063H

4、375.015表1氫的巴爾末線系波長值得注意的是,計算RH和R時,應(yīng)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(yīng)將空氣中的波長轉(zhuǎn)換成真空中的波長。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波長修正值2. 實驗儀器實驗中用的儀器室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、計算機組成。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)出的光束進入入射狹縫,位于反射式準光鏡的焦面上,通過入

5、射的光束經(jīng)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)物鏡成像在上和上,通過可以觀察光的衍射情況,以便調(diào)節(jié)光柵;光通過后用光電倍增管接收,送入計算機進行分析。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。現(xiàn)考慮相鄰刻槽的相應(yīng)點上反射的光線。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,光強有一極大值,或者說將出現(xiàn)一亮的光譜線。對同一,根據(jù)、可以確定衍射光的波長,這就是光柵測量光譜

6、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)肷浣牵淖儾ㄩL范圍,實現(xiàn)較大波長范圍的掃描,軟件中的初始化工作,就是改變的大小,改變測試波長范圍。3. 實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理與分析(1)先測定氦光源的譜線,在“讀取數(shù)據(jù)”項下對曲線進行尋峰,讀出波長,和定標光源的已知譜線(附后)波長相比較,對波長進行修正。表3 氫原子光譜的實驗數(shù)據(jù)譜線HHHH光譜波長/nm410.9 434.4486.3655.2譜線相對能量42.1151.3549.1919.2 利用表二中波長的修正值計算真空中氫原子的波長:表4 氫譜線真空中的波長譜

7、線HHHH光譜波長/nm410.9434.4486.3655.2(nm)0.1160.1210.1360.181真空中譜波長/nm411.0434.5486.4655.4利用公式 可以計算出里德伯常數(shù),如下表5表5 氫譜線對應(yīng)的里德伯常數(shù)譜線HHHH真空中譜波長/nm411.0434.5486.4655.4N6543里德伯常數(shù)/107m-11.0951.0961.0961.099 里德伯常數(shù)的平均值為R=(1.095+1.096+1.096+1.098)/4*107=1.096*107m-1 利用公式計算出普適里德伯常數(shù),得出 R=1.00054*1.096*107m-1=1.096* 107

8、m-1 而R推薦值是R10973731.568549(83)/m,故相對誤差為(1.097-1.096)/1.097=0.06%4. 實驗討論(1)關(guān)于實驗狹縫的討論:狹縫是單色儀的關(guān)鍵部件,它的寬度范圍是03mm,每格為0.005mm儀器不工作時狹縫開啟寬度應(yīng)放在最小的位置。在調(diào)節(jié)狹縫寬度時切記不要用力過猛和過快,要仔細緩慢的調(diào)到所要求的值。狹縫應(yīng)該調(diào)到它的最佳寬度,為了說明這個問題先作一定的假設(shè),設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的(即每一點為獨立的點光源),首先設(shè)狹縫為無限細,由衍射理論和實驗可知譜線的半寬度約為:,這里l為光的波長,f為離軸拋物鏡的焦距,D時由光柵和拋物鏡的口徑限制的光束的直徑

9、,當(dāng)狹縫a逐漸變寬時譜線寬度的變化如圖3所示,圖4為狹縫寬度與光譜的分辨率R和光譜線的強度I的變化。由圖5 可見縫寬過大時實際分辨率下降,縫寬過小時出射狹縫上得到光強太小,取a=an最好。W0a/an圖3 狹縫寬度與光譜寬度的關(guān)系曲線a/an圖4 狹縫寬度與光譜分辨率及光譜強度的關(guān)系曲線RI121并對此計算了縫寬的值由可以分別計算=0.86×500 ×410.2/64 nm=2.756m=0.86×500 ×434.0/64 nm=2.915m=0.86×500 ×486.1/64 nm=3.265m=0.86×500 ×656.3/64 nm=4.409m可以發(fā)現(xiàn)最大和最小的縫寬的相對差距可以達到1.60倍的差距。 (2)誤差可能原因:1實驗室有其它自然光干擾。2所用儀器示數(shù)穩(wěn)定性差,觀測波長和讀光強存在時間差。3儀器調(diào)節(jié)中狹縫與實際刻度存在誤差以及光路調(diào)節(jié)存在誤差。5. 實驗思考題(1)氫光譜巴爾末線系的極限波長是多少?由對于極限波長,即n時,=364.57nm (2)譜線計算值具有唯一的波長,但實測譜線有一定寬度,其主要原因是什么?任何實測譜線都有一定的寬度,主要是由以下原因造成的:1)由海森伯不確定原理,Et>h,由于測量時間是有限的,故測得的能級有一定展寬。2

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