氢、氘光谱实验报告

实验一（A）氢、氘光谱实验【目的要求】1．测定氢原子与氘原子的巴耳末系发射光谱的波长和氢原子与氘原子的里德伯常数；2．了解WGD－8A【仪器用具】氢氘灯、WGD－8A【原理】光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。常用的光谱有吸收光谱、发射光谱、和散射光谱，波段从X射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过用光栅光谱仪测量氢原子与氘原子在可见波段的发射光谱，了解光谱与微观结构（能级）间的联系和掌握光谱测量的基本方法。1．氢原子光谱图1是氢原子的能级图，根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：（n=1，2，3…）（1）图1氢原子的能级图式中称为约化质量，为电子质量，为原子核质量，氢原子的等于1836.15。图1氢原子的能级图电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差，（m>n）（2）如以波数表示，则上式为（3）式中为氢原子的里德伯常数，单位是，称为光谱项，它与能级是对应的。从可得氢原子各能级的能量（4）式中h=4.13567×10-15eV·s，c=2.99792×108m从图1中可知，从至跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律（m=3，4，5…）（5）这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系。氢原子的莱曼系位于紫外，其他线系均位于红外。图2氢氘光谱图3氢氘光谱巴耳尔末线系的线具有相同质子数，不同中子数（或不同质量数）同一元素的不同核素互为同位素。氢原子核只有1个质子没有中子，氘D（又叫重氢）是氢的同位素，它的原子核由一个质子和一个中子组成。氘与氢具有相同的能级结构，因而光谱结构也相同，氢原子光谱的每一组谱线都是两条波长非常接近的谱线，一条是氢原子的谱线，一条是氘原子的谱线。氢原子和氘原子的巴耳末线系的头几条谱线的波长为：线线线线波长H：656.2486.13434.047410.174D：656.1486.01433.928410.0622．仪器组成：WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。其工作原理如图4所示。光电信号光电信号前置放大器放大的光电信号增益控制信号系统控制信号光谱数字信号/变换/变换步进电机控制信号负高压控制信号负高压电源步进电机驱动电源负高压电子计算机步进电机驱动脉冲图4光谱仪的工作原理光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时，出射光通过狭缝S2到达光电倍增管。用CCD做探测器时，转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S3到达CCD，CCD可以同时探测某一个光谱范围内的光谱信号。光信号经过倍增管（或CCD）变为电信号后，首先经过前置放大器放大，再经过A/D变换，将模拟量转变成数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件根据需要设置。前置放大器的增益现为1，2，…，7七个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高压也分为1，2，…，7七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可以在10ms-40s之间任意改变。扫描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦机构。）中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。【实验步骤】1．连接光栅光谱仪电源与计算机USB接口连线；2．打开光栅光谱仪电源开关，打开氢氘灯电源开关，氢氘灯对准WGD-8A型光栅光谱仪的物镜狭缝（狭缝宽度取50），光栅光谱仪上光电倍增管狭缝取10；3．运行WGD-8A倍增管系统软件，系统进行检索；4．设置系统参数：工作方式：模式――能量间隔――0.1nm工作范围：起始波长：400nm终止波长：660nm最大值：1000最小值：0工作状态：负高压：800V（手动调节光栅光谱仪电源上负高压调节旋钮至800V，此时软件调节不起作用，负高压越高，倍增管越灵敏）增益：3采集次数：205．数据扫描：单击“单程”选项，仪器开始扫描，计算机显示出氢原子和氘原子的可见光区域的巴尔末线系谱线，打印该光谱线图；6．分别定量测量氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线（系统参数的选择参考表1）：将测量结果填入表1，并打印氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线图。表1：氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线波长原子谱线标准值（nm）选择参数测量结果（nm）工作方式工作范围工作状态采集次数模式间隔(nm)波长（nm）最大值最小值负高压增益氢656.2能量0.01655-65710000620V350氘656.1氢486.13能量0.01485-48710000750V350氘486.01氢434.047能量0.01432-43510000800V350氘433.928氢410.174能量0.01408-41210000900V350氘410.0627．根据测量得到的氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线的波长，用线性拟合方法求出氢原子和氘原子的里德伯常数。附：根据，()用线性拟合求出和的方法：已测知：，，，根据：，则：，，，令：时，；时，；时，；时，；设拟合方程为：，其中，，()。依据最小二乘法得：，，，，4056.134代入解得：，，根据、、、和可推得：所以：，代入数据得：氢的里德伯常数。氘的里德伯常数：氢和氘的相应波长差为：因为：，所以，得：根据图3氢氘光谱巴耳尔末线系的线波长及氢的里德伯常数为：，，，代入上式得：。实验一(B)氢原子光谱的研究-用光学多道分析器研究氢原子光谱【目的要求】1．测定氢原子的巴耳末系发射光谱的波长和氢原子的里德伯常数。2．了解光学多道分析器的原理和使用方法。【仪器用具】汞灯,氢氘灯,WGD－6型光学多道分析器。【原理】光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。常用的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱，波段从X射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过用光学多道分析器测量氢原子在可见波段的发射光谱，了解光谱与微观结构（能级）间的联系和掌握光谱测量的基本方法。1．氢原子光谱图1是氢原子的能级图，根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：（n=1，2，3…）（1）图1氢原子的能级图式中称为约化质量，为电子质量，为原子核质量，氢原子的等于1836.15。图1氢原子的能级图电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差：（m>n）（2）如以波数表示，则上式为：（3）式中为氢原子的里德伯常数，单位是，称为光谱项，它与能级是对应的。从可得氢原子各能级的能量（4）式中h=4.13567×10-15eV·s，c=2.99792×108m从图1中可知，从至跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律（m=3，4，5…）（5）这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系。氢原子的莱曼系位于紫外，其他线系均位于红外。图2氢原子的巴耳末系光谱氢原子的巴耳末线系的头几条谱线的波长为：线线线线波长（nm）656.2486.13434.047410.1742．仪器组成：光学多道分析器是一台多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，CCD接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。光学多道检测系统的基本框图如图3所示。图3光学多道分析器框图入射光经多色仪色散后在其出射窗口形成λ1-λ2的谱带。位于出射窗口的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A/D变换后存储并显示在计算机上。光学多道分析器的优点是所有的像元（N个）同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道光谱系统检测同一波段的总时间快N倍。在摄取一段光谱的过程中不需要谱仪进行机械扫描，不存在由于机械系统引起的波长不重复的误差，减少了光源强度不稳定引起的谱线相对强度误差，可测量光谱变化的动态过程。多色仪及光源部分的光路见图4。光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S1，入射光经平面反射镜M1转向90°，再经球面反射镜M2反射后成为平行光射向平面衍射光栅G。衍射后的平行光束经球面反射镜M3和平面镜M4成像于观察屏P。由于各波长光的衍射角不同，P处形成以一波长λ0为中心的一条光谱带，观察者可在P上直观地观察到光谱。转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。多色仪上有显示中心波长的波长计。转开平面镜M4，可使M3直接成像于光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全一致。图4多色仪光学原理图CCD是电荷耦合器件（Charge-CoupledDevice）的简称，是一种以电荷量表示光强大小，用耦合方式传输电荷量的器件，它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优点。将CCD一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获得整个光谱。目前，二维面阵CCD已大量用于摄像机和数字照相机。图5CCD示意图衬底是P型Si，硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容。如果金属电极置于高电位，在金属面积累了一层正电荷，P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂质离子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何贡献。在耗尽区内或附近，由于电子的作用产生电子-空穴对，电子被吸引到半导体与SiO2绝缘体的界面形成电荷包，这些电子是可以传导的。电荷包中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比，很多排列整齐的CCD像元组成一维或二维CCD陈列，曝光后一帧光强分布图将成为一帧电荷分布图。仪器采用的是有2048个像元的CCD一维线阵，其光谱响应范围为200-1000nm，响应峰值在550nm，动态范围大于210。每个像元的尺寸为14μm×14μm，像元中心距为14μm，像敏区总长为28.672mm。多色仪中M2，M3的焦距为302mm，光栅常数为1/600mm，在可见光区的线色散Δλ/Δl（光谱面上单位宽度对应的波长范围）约为5.55nm/mm，由此可知CCD一次测量的光谱范围为5.55×28.67约为159nm。光谱分辨率即两个像元之间波长相差约0.077nm。在OMA中每个像元称为一“道”，本实验的系统是2048道每次采样（曝光）后，每个像元内的电荷在时钟脉冲的控制下顺序输出，经放大、模数（A/D）转换，将电荷量即光强顺序存入采集系统（微机）的存储器，经微机处理后，在显示器上就可以看到光谱图。移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所处的道数和相对光强值。【实验步骤】由于线的波长为656.28nm，线为410.17nm，波长间隔达246nm。超过CCD一次测量的光谱范围159nm的范围，所以要分两次测量。测量线（波长为656.28nm）时的波长时，采用汞灯的（546.07nm，576.96nm，579.07nm）三条谱线作为标准谱线来定标；测量，，线（波长分别为486.13nm，434.047nm，410.174nm）的波长时，采用汞灯的（404.66nm，407.78nm，435.84nm）三条谱线作为标准谱线来定标。图6汞光谱线序号波长nm相对强度序号波长nm相对强度序号波长nm相对强度1365.02458.94404.66893.87546.07893.52365.46160.25407.7886.98576.96113.33366.30109.96435.84996.39579.07101.3启动计算机，打开WGD-6型光栅光谱仪电源，运行Wgd-6型光学多道分析器控制处理程序。设置工作参数：暴光时间（采集谱线的积分时间）：选择暴光时间为10。（方法：用鼠标左键选中暴光时间调节窗口上，通过方向键“→”或“←”增加或减少暴光时间）平均次数（对谱线数据进行平均的次数）：选择平均次数为1。累加次数（对谱线进行多次采集进行累加的次数）：选择累加次数为1。（增加曝光时间、平均次数和累加次数可增加信噪比和提高弱峰的计数。）最大值（坐标显示的谱线相对光强的最大值）：选择最大值为5000。最小值（坐标显示的谱线相对光强的最小值）：选择最小值为1。测量，，的波长。定标：①将光学多道分析器中心波长调到450nm：单击任务栏中“检索”，在出现的对话框中的当前位置波长处，键入450，单击“确定”。②调节光源与多色仪共轴：将低压汞灯与汞（钠）灯电源连接，打开电源电亮汞灯，将汞灯光源对准多色仪的入射狭缝，调节汞灯与多色仪，将多色仪观察转换扳手放在“观察缝”档，在观察屏P上观察谱线，直到看到清晰、明亮的紫色（435.84nm）水银谱线，使汞灯光源与多色仪共轴。③将多色仪观察转换扳手放在“CCD”档，即转动M4使光谱照到CCD上，单击任务栏中“时实”，屏幕上会出现汞的谱线，由于谱线强度不同，对不同的谱线可选用不同的狭缝宽度。调节入射狭缝宽度，可获得清晰、尖锐的三条谱线（404.66nm，407.78nm，435.84nm）。④用汞的404.66nm，407.78nm，435.84nm三条标准谱线定标，使横坐标表示波长（nm）。在出现汞的