[实验报告]用光学多道分析器研究氢原子光谱.doc

用光学多道分析器研究氢原子光谱摘要：使用光学多道分析器测定氢原子巴尔末系中的波长，并利用所测的波长拟合计算出氢原子的里德伯常量。关键词：光学多道分析器，氢原子光谱，巴尔末系，里德伯常量THE STUDY OF HYDROGEN ATOMIC SPECTRUM WITH OPTICAL MULTICHANNEL ANALYZERAbstract：By using theoptical multichannel analyzer (OMA), this article will measure out the wavelength of in the Balmer series of hydrogen atomic spectrum, and work out the Rydberg constant of hydrogen atom by using the wavelength above.Keywords：OMA, hydrogen atomicspectrum, Balmer series, Rydberg constant1 引言根据玻尔(N.Bore)氢原子理论，氢原子的能级公式为： 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，即 ，得到氢原子跃迁时波长与能级关系式为：式中称为氢原子的里德伯常数，单位是，称为光谱项，它与能级是对应的可得氢原子各能级的能量式中从能级图可知，从至的跃迁光子波长位于可见光区其光谱符合规律这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，氢原子光谱的该线系被称为巴耳末系当m分别取3,4,5,6时，对应谱线即和四条线，根据图像斜率可得里德伯常数值。2 实验仪器光学多通道分析器(Optical Multichannel Analyzer，OMA) 入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成12的谱带位于出射窗口处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AD变换后存贮并显示在计算机上 图2.1 光学多通道分析器(Optical Multichannel Analyzer，OMA)多色仪及光源部分的光路见图2.1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900，经球面镜M2反射后成为平行光射向光栅G衍射光经球面镜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，在P处形成以某一波长为中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征转动光栅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0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3 实验过程由于线的波长为656.28nm，线为410.17nm波长间隔达246nm，超过CCD一帧159nm的范围所以要分两次测量第一次测量和三条线，第二次单独测量线第一次测量时用汞灯的404.66nm (紫光)、43584nm(蓝光)、54607nm(绿光)等谱线作为标准谱线来定标；第二次用汞灯的546.07nm576.96nm(黄光)，579.07nm(黄光)来定标。具体步骤如下：1将多色仪起始波长调到385nm，入射狭缝的宽度为0.1mm左右。2用汞灯作光源，调节L、S与多色仪共轴，并令光源S成大像于入射狭缝处。时在多色仪的观察屏P上观察到清晰、明亮的紫色水银谱线。3转动M4，使光谱照到CCD上调节入射狭缝，使谱线变锐，选择适当的曝光时间以获得清晰、尖锐的光谱图由于谱线强度不同，对不同的谱线可选用不同的曝光时间。4用汞灯的几条标准谱线定标，使横坐标表示波长(nm)。5改用氢灯，转动M4，使谱线成像在观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强度为最强。6转动M4，测量和的波长。7将多色仪的起始波长调至540nm，用汞灯再次定标后，方法如上测出线的波长。4 实验数据与分析Hg灯第一次定标图中，分别为Hg谱线中对应的404.66nm (紫光)、43584nm(蓝光)、54607nm(绿光)测量和的波长图中，在Hg灯第一次定下的标度上，其中谱线分别对应氢光谱中和Hg灯第二次定标图中，峰分别为Hg谱线中对应的546.07nm576.96nm(黄光)，579.07nm(黄光)测量的波长图中，在Hg灯第二次定下的标度上，其中谱线1对应氢光谱中的氢光谱中的和四条线，对应波长分别是654.5nm、485.0nm、433.3nm、409.4nm，可得下表表1 关系谱线1.5282.0622.3082.4430.1390.1880.2100.222 使用Origin对上表数据作线性拟合，以为纵轴，结果如下图：图中斜率即里德伯常量，测得，与理论推导值对比，相对误差为：5 实验误差分析1) 在定标时对Hg光谱峰线对应的波长读数有误差，可能导致定