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1、word氫氘燈光譜實驗報告【實驗?zāi)康摹?. 了解平面光柵單色儀的結(jié)構(gòu)與使用方法。2. 驗證氫同位素的存在。用光柵光譜儀測量氫、氘原子光譜巴耳末線系的前四對譜線波長（41006500左右），計算氫氘里德伯常數(shù)。3. 通過實驗，計算氫和氘的原子核質(zhì)量比 ,計算質(zhì)子與電子的質(zhì)量比。【實驗原理】1. 氫、氘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102 Pa左右），可得到線狀氫原子光譜。瑞士物理學家巴爾未根據(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=式中為氫原子譜線在真空中的波長，364.57 nm 是一經(jīng)驗常數(shù)；n取3,4,5等整數(shù)。若用波數(shù)表示
2、，則變?yōu)?()式中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=式中M為原子核質(zhì)量，m為電子質(zhì)量，e為電子電荷，c 為光速，h 為普朗克常數(shù)，為真空介電常數(shù)，Z為原子序數(shù)。當時，可得出相當于原子核不動時的里德伯常數(shù)（普適的里德伯常數(shù)）所以對于氫，有這里是氫原子核的質(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，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上有重要意義，目前它的推薦值為=10973731.568549(83)氫的巴爾末線系波長譜線符號波長(nm)658.280486.434.047410.174397.00
3、7388.906383.540379.791377.375.015值得注意的是，計算和時，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所示。波長修正值氫譜線0.1810.1360.1210.1160.1120.1102. 關(guān)于/同一元素的不同同位素且有不同的核質(zhì)量和電荷分布，由此引起原子光譜波長的微小差別稱為“同位素位移”。一般來說，元素光譜線同位素位移的定量關(guān)系是很復雜的，只有像氫原子這樣的系統(tǒng)，同位素位移才可以用簡單的公式計算。氫原子核是一個質(zhì)子，其質(zhì)量為，氘核比氫核多一個中子，其質(zhì)量為。由(
4、2.5-6)式可知氘原子的里德伯常數(shù)為由(2.5-7)式和(2.5-6)式可知氘氫原子核的質(zhì)量比對于巴爾末線系，氫和氘的譜線計算公式分別為=()對于相同的n，由(2.5-9)式和(2.5-10)式可得氫和氘的同位素位移為【實驗儀器用具】WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀，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。如圖2.5-2 所示。入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度圍0 2.5 mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進入入射狹縫S1，S1位于反射式準光鏡M2的焦面上，通過S1入射的光束經(jīng)M2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M3成像在S2上和S3
5、上，通過S3可以觀察光的衍射情況，以便調(diào)節(jié)光柵；光通過S2后用光電倍增管接收，輸入計算機進行分析。在光柵光譜僅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。PQ 和PQ是以I角入射的光線。QR 和QR是以I 角衍射的兩條光線。PQR和PQR兩條光線之間的光程差是，其中b 是相鄰刻槽間的距離，稱為光柵常數(shù)。當光程差滿足光柵方程，k=0,1,2,時，光強有一極大值或者說將出現(xiàn)一亮的光譜線。對同一k 根據(jù)I , I 可以確定衍射光的波長，這就是光柵測量光譜的原理。閃耀光柵將同一波長的衍射光集中到某一特定的級K上。為了對光譜掃描，將光柵安裝在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由
6、電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，可以改變?nèi)肷浣荌 ，改變波長圍，實現(xiàn)較大波長圍的掃描，軟件中的初始化工作，就是改變l 的大小。改變測試波長圍?！緦嶒炄?、實驗數(shù)據(jù)以及處理】1. 光電倍增管測 , 根據(jù)電腦輸出數(shù)據(jù)，得到譜線在空氣中的波長，將其修正為真空波長，修正公式為： =+根據(jù)公式根據(jù)公式對氫光譜進行處理如下表得到 =10958562.45根據(jù)公式對氘光譜進行處理如下表得到 =10961406.49由公式 ,其中 =1836 。將、帶入，可以得到：N34561.811.712.052.052. CCD測量N34譜線名稱中心波長656485通道橫坐標86384210501038654.428654.2234
7、85.254485.1370.1810.1810.1360.136654.609654.404485.390485.27310998932.19 11002377.74 10987728.08 10990377.24 計算得到=10993330.14=10996377.49根據(jù)公式，計算得到：n=3時，=2.35n=4時，=1.79【實驗中出現(xiàn)的問題以及思考題解答】1. 注意事項狹縫和寬度和電壓調(diào)整，電壓應(yīng)該控制在5001000之間，狹縫寬度應(yīng)該控制到一定圍之，狹縫太窄會使得信號太弱難以尋峰，狹縫太寬會使得氫氘分裂間距?。灰⒁庾寶潆疅魧湿M縫，否則可能會導致搜索不到光信號；2. 誤差分析實驗儀器產(chǎn)生的誤差；利用測出的數(shù)據(jù)檢峰時產(chǎn)生的誤差，可能會有峰不明顯造成的峰值讀取的誤差。3. 氫氘光譜分裂間距的影響因素。譜線分裂間距與狹縫的寬度有關(guān)。狹縫寬度越窄，通過的波長寬度約窄，譜線分裂越明顯，分裂間距越大。在實驗中，為檢測到光信號，要控制狹縫不能太窄，否則信號太弱將無法檢測。所以要根據(jù)情況對狹縫寬度進行調(diào)整。9 / 8
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