氢原子光谱实验研究.doc

氢原子光谱实验研究张清琳(045) 指导教师:胡君辉摘 要： 本文通过实验利用摄谱仪测量氢灯可见光各光谱线的波长值，了解氢原子光谱规律,能较准确测定氢的里德伯常数，同时学会光谱分析的一般方法。关键字： 氢光谱；摄谱仪；里德伯常数； 引 言： 原子吸收光谱分析，是利用物质的基态原子可以吸收特定波长单色辐射的光量子，其吸收量的大小是与物质原子浓度成比例的关系为基础的。氢原子的结构最简单，它发出的光谱有明显的规律，很早就为人们所注意，光谱的规律首先由氢原子光谱得到突破，从而为原子结构的研究提供了重要依据。因而，氢原子光谱的研究，在原子物理学的发展中一直起着重要的作用。正文：一、氢光谱原理一百余年来，人们研究氢原子的光谱结构，不论在实验方面，还是在理论方面都取得了丰硕的成果。实验上精确测量各谱线的波长、发现和测量各个氢谱系、探测谱线的精确结构，数据越来越精确，理论上则相当完满地解释了这些谱线的成因，从而发展了电子与电磁场相互作用的理论。1885年巴尔末根据实验结果，经验性的确定了可见光区域氢光谱的谱线分布规律，写作 （1）式中为连续的整数3，4，5。一般常称这些氢谱线为巴尔末线系。之后，又陆续发现氢的其他线系。为了更清楚的表明谱线分布的规律，将（1）式改写为 （2）式中称为氢的里德伯常数。在这些完全从实验得到的经验公式的基础上，玻尔建立了原子模型的理论，并从而解释了气体放电时的发光的过程。根据玻尔的理论，每条谱线是对应于原子中的电子从一个能级跃迁到另一个能级释放能量的结果。根据这个理论，对巴尔末线系有 （3）式中为电子电荷，为普朗克常数，为光速，为电子质量，为氢原子核的质量。这样，不仅给予巴尔末的经验公式以物理解释，而且把里德伯常数和许多基本物理常数联系了起来。即 （4）其中代表将核的质量视为（即假定核固定不动）时的里得伯常数： （5）比较（2）（3）式，可以认为（2）式是玻尔理论推论所得到的关系。因此，（2）和实验结果符合到什么程度，就可检验波尔理论正确到什么程度。实验表明（2）式与实验数据符合的程度相当高，而成为玻尔理论的有力证据。继巴尔末规律之后，又发现氢光谱有更为复杂的结构，巴尔末规律只能作为一个近似的规律；同时，原子结构的理论也有了很大的发展。因此，就其对理论的作用来讲，验证公式（2）在目前的科学研究中已不必要。但是里德伯常数的测定比起一般基本物理常数来可以达到更高的精度，因而成为一个测定基本物理常数的依据，占有很重要的地位。目前公认 瑞典光谱学家里德堡（Rydberg）发现，改用波数表示巴尔末公式时，其规律性更为明显。波数等于波长的倒数，于是（2）式改为 这是现在常用的巴尔末公式。符号称为里德堡常数。二、实验仪器(1) 摄谱仪：照明系统的光轴必须与摄谱仪的光轴重合,才能使谱线最明亮。(2) 电弧发生器做铁谱光源：本实验采用了两根铁棒作电极,接WJD 4 型交流电弧火花发生器。为了能使电弧火花均匀而集中地照射狭缝后的棱镜中央,采用单透镜光路,称为照明系统,照明系统的光轴必须调到与摄谱仪光轴重合。(3) 氢管做为氢光光源：由霓虹灯变压器供电，如图1所示。氢灯加上高压后，其分子在放电过程中分解为原子，然后进入激发状态产生光辐射。由于氢灯的光强很弱，所以应将氢灯的毛细管中部靠近摄谱仪的狭缝。图1 霓虹灯供电原理图（4）寻找和辨认普贤你的映谱仪和铁谱图（5）测量谱线用的比长仪三、实验方法及内容（一）实验方法 实验的主要内容就是测出氢光谱在可见光区和近紫外区的谱线波长。测量的方法如下：用摄谱仪在底片上并排拍下氢光谱和铁光谱，由铁光谱中的各谱线的波长已由前人精确测定，因此可以用铁谱作为尺子来测定氢谱线的波长。从底片上氢谱线相对于铁谱线的位置，即可计算出氢谱线的波长。 利用摄谱仪的哈特曼光阑并排拍下一组氢谱和铁谱，在一组中由于铁谱很多，总可以在每根氢谱线附近找到两根铁谱线，使每一根的波长稍大于氢谱线的，另一根稍小，谱片上谱线间的距离随波长差增加,在波长很接近时可以认为距离与波长差成正比,量出选定的铁谱线间的距离d和氢谱线与一根铁谱线间的距离，例如与波长较短的一根之间的为x，则: 由上式即可算出该氢谱线波长。（二）实验内容及步骤1、拟订摄普计划。本实验由于氢谱线强度彼此相差悬殊,在相同的曝光时间下,很可能强线已经很粗,而弱线尚未拍出来。于是可采用不同的曝光时间拍两组（每组中都必须拍下并排下氢谱和铁谱) ,以便能分别照顾到氢谱中的强线和弱线。拍摄条件包括:狭缝的宽度、物镜的位置、底片匣位置和倾角(24. 5) 、哈特曼光栏位置、光源和聚光镜位置等,进行反复调试,找到最佳位置,判断谱线的强弱,事先订好曝光时间。2. 在全暗的暗室中裁好所需要的尺寸的底片,并在暗室中安装好底片,应注意使乳胶面面向光源。区分乳胶面和玻璃面的方法是:用微湿的手指摸底片一角, 光滑的为玻璃面,有涩感的为乳胶面。若乳胶面背向光源,拍摄结果是谱线变粗并且标尺有重影。3. 准备好氢谱光源和铁谱光源。利用哈特曼光栏依次按计划拍摄。为了对光准确,一般先调铁谱光源,使电弧经单透镜均匀而集中地照在狭缝上,能充分照在棱镜上。调好铁谱光源后可以固定在铁轨上不再动,再调氢光光源,可将氢光光源直接对准狭缝。我们一般采取先拍氢谱后移走氢灯管再拍铁谱。拍摄时可用有秒针的闹钟计时,用遮光板控制曝光时间。在拍一组光谱的过程中拍摄次序要合理,做到严格保持底片匣不动,以保证氢谱和铁谱的位置无相对错位。由于氢光源较弱,拍摄时要将氢放电管平行的尽量靠近狭缝上(勿与摄谱仪接触) ,使进入狭缝的光尽可能强。铁谱光源强,需通过透镜聚在狭缝上,使之成为直径为1cm 的光斑,通过毛玻璃观察它们的谱线,并注意操作安全。4. 测量显影液的温度,在暗室中适当调显影时间,冲洗好底片。应遵守实验室给出的冲洗条件,相板为全色光谱干板,显影、定影液为D 19 和F 5 ,显影液温度为20 时,时间为5 分钟,若显影液温度每升高10 ,显影时间就缩短半分钟。定影2 分钟后,方可开灯操作,要培养科学的暗室工作习惯。冲洗3 分钟后,自然干。5. 利用映谱仪找出全部拍下的氢谱线,并且利用铁谱图上标出的铁谱线测定它们的波长,并用标尺上刻度进行粗略估计。6. 选择一根细而清晰的氢谱线,用比长仪进行精确测量。重复几次。四、数据记录及处理 注：d=- ；x=- ；R理=10967166.5401、将，d, x代入公式可算出实，分别求百分误差。谱线名称n()()(mm)(mm)(mm)理()实()34859.7404871.32597.37097.59097.3744861.3304862.74344337.0494346.55685.51085.64785.6084340.474343.84954098.1874107.49277.76278.10277.8884101.744101.635 2、将实代入可算出，再算出及百分误差。谱线名称100%（）（）0.029%10967746.67010967166.5400.00545%0.078%10962408.6000.0025%10971344.360结论 本实验主要通过利用摄谱仪及比长仪拍照并测量氢光谱各谱线波长，验证了巴尔末公式的正确性，并能准确测量里德伯常数。对氢原子光谱实验的讨论本实验所需时间较长，影响因素较多，因此注意细节显得尤为重要。主要注意以下几点：1、 特别注意曝光顺序应为“先铁后氢”2、 由于氢光源较弱，拍摄时要将氢放电管平行地尽量靠近狭缝（勿