物理仿真實驗氫氘光譜拍攝實驗報告

2020-10-10 報告

　　一、實驗目的

　　1．掌握氫氘光譜各譜線系的規律，即計算氫氘里德伯常數RH，RD的方法。

　　2．掌握獲得和測量氫氘光譜的實驗方法。

　　3．學習光柵攝譜儀的運行機理，并學會正確使用。

　　二、實驗儀器及其使用方法

　　WPS-1自動控制箱，光源：鐵電極。電弧發生器，光源：氫氘放電管。中間光闌，哈德曼光闌，攝譜窗口。

　　平面光柵攝譜儀是以平面衍射光柵作為色散元件的光譜儀器。它的光學系統用Ebert-Fastie裝置（垂直對稱式裝置），其光學系統如圖2所示。由光源B(鐵電極、氫氘放電管)發射的光，經過消色差的三透鏡照明系統L均勻照明狹縫S，再經反射鏡P折向球面反射鏡M下方的準光鏡O1上，經O1反射，以平行光束射到光柵G上，經光柵衍射后，不同方向的單色光束射到球面反射鏡的中央窗口暗箱物鏡O2處，最后按波長排列聚焦于感光板F上，旋轉光柵G，改變光柵的入射角，便可改變拍攝譜線的波段范圍和光譜級次。這種裝置的入射狹縫S和光譜感光板是垂直平面內對稱于光柵G放置的，由于光路結構的對稱性，彗差和像散可以矯正到理想的程度，使得在較長譜面范圍內，譜線清晰、均勻。同時由于使用球面鏡M同時作為準直物鏡和攝譜物鏡，因此不產生色差，且譜面平直。使用攝譜儀做光譜實驗時必須注意以下事項：

　　（1）攝譜儀為精密儀器，使用時要注意愛護。尤其是狹縫，非經教師允許，不可以隨意調節各旋鈕，手柄均應輕調慢調，旋到頭時不能再繼續用力，不要觸及儀器的各光學表面；

　　（2）燃電弧時，注意操作安全。電弧利用高頻高壓，點燃后不要用手觸及儀器外殼；更換電極時要切斷高壓電，用絕緣性能好的鉗子或手套來更換；電弧有強紫外線輻射，使用時要戴防護眼鏡；

　　（3）鐵弧電極上不能有氧化物，應經常磨光，呈圓錐形；調節兩電極頭之間的距離，注意電極頭成像不要進入中間光闌。

　　三、實驗原理

　　巴爾末總結出來的可見光區氫光譜的規律為：

　　（n = 3，4，5 ……）

　　式中的B=364.56nm。此規律可改寫為：

　　式中的為波數，為氫的里德伯常數（109 678cm）。

　　根據玻爾理論或量子力學中的相關理論，可得出對氫及類氫離子的光譜規律為：

　　其中，和為整數，z為該元素的核電荷數，相應元素的里德伯常數為：

　　其中，m和e為電子的質量和電荷，c是真空中的'光速，h為普朗克常數，M為原子核的質量。顯然，隨元素的不同R應略有不同，但當認為M→∞時，便可得到里德伯常量為：

　　這與玻爾原子理論（即電子繞不動的核運動）所推出的R值完全一樣。現在公認的

　　的值為：10973731m，這與理論值完全符合。有了這樣精密測定的里德伯常量，又可以反過來計算還沒有測定的某些元素的里德伯常數。即：

　　比如應用到氫和氘為：

　　可見，氫和氘的里德伯常數是有差別的，其結果就是氘的譜線相對于氫的譜線會有微小的位移，叫同位素位移。和是能夠直接精確測量的量，測出它們，也就可以計算出氫和氘的里德伯常數。同時還可以計算出氫和氘的原子核質量比。

　　式中是已知量。注意：波長應為真空中的波長，同一光波，在不同介質中波長是不同的，唯有頻率及對應光子的能量是不變的，我們的測量往往是在空氣中進行的，所以為精確得到結果時應將空氣中的波長轉換為真空中的波長。

　　四、測量內容及數據處理

　　測量內容

　　1.拍攝氫氘和鐵的光譜。按實驗要求，擬好攝譜程序表格，調好光路后，按程序用哈特曼光欄的相應光孔，分別拍下氫氘和鐵的光譜。

　　2．顯示譜片。取下底片盒，到暗室進行顯影，定影、水洗等處理得到譜片。

　　3．觀察和測量氫氘光譜線的波長。在光譜投影儀上觀察譜片上的光譜，區分鐵光譜和氫氘光譜，基于在很小的波長范圍內可以認為線色散是個常數。如下圖所示.用線性內插法就可以算出待測的譜線的波長。在映譜儀上用直尺進行粗測，在阿貝比長儀上進行精確測量計算出氫氘譜線的波長。

　　4.數據處理。計算出氫氘的里德伯常數，確定其不確定度，給出實驗結果表達式。

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