实验04小型棱镜读谱仪测氢原子光谱

1、小型棱镜读（摄）谱仪测氢原子光谱实验原理：1 氢原子光谱 光谱线波长是由产生这种光谱的原子能级结构所决定的。每一种元素都有自己特 定的光谱，所以称它为原子的标识光谱。光谱实验是研究探索原子内部电子的分 布及运动情况的一个重要手段。 J.J.Balmer（巴尔末 ,1825-1898）发现，在可见光区 氢原子谱线可以由下面公式确定：（11（4-1） ）222n其中 n是大于 2的整数， RH 是实验常数，称为里德伯 （Rydberg）常数。由上式确 定的氢谱线为巴尔末线系，当 n3，4，5，6 时，所得的谱线分别标记为、 、。以这些经验公式为基础， N.Bohr （玻尔,1885-1962） 建

2、立了氢原子的理论 （玻尔模 型），并从而解释了气体放电时的发光过程。根据玻尔理论：当原子从高能量的能 级跃迁到低能量的能级时，以光子的形式释放能量。氢原子 n 能级上的能量为me42（n 是正整数），所以光子的波数1me4-其中 n0=1，2，3,， n= n0+1，n0+2，n0+3, 。根据玻尔模型得到里德伯常数的 理论值为me4（4-3） 23代入各常数值计算， RH1.097 373 153 4 1×07m1。该值与实验值十分接近。 A'2 恒偏向角棱镜三棱镜的光谱实验一般在最小偏向角附近进行。由于不同波长的光和不同材料棱 镜折射的最小偏向角不同，测量时要先寻找各种波

3、长的光的最小偏向角，十分不 方便。为此本实验所用的摄谱仪中采用的是恒偏向角棱镜，其结构如图41 所示。A'BD'是三棱镜，光线以 i 角入射。在三棱镜中作一正方形 AC'EC同, 时形成了一 个包图 41 恒偏向角棱镜含在原三棱镜内的四边形 AC'D'E。以 A，E 为对称轴，得到与 AC'D'E对称的四 边形 ACDE。ABCDE 是一五边棱镜。入射光在 AE 面上发生全发射。这样原经 HI'J出'射的光线现经 HIJ 出射，。当满足三棱镜的最小偏向角条件时， ii0 ，所以入射光和折射光偏转角度恒为 90°。

4、实验装置及操作要点： 本实验选用小型棱镜摄谱仪，通过照相法测定光谱线的波长。如果不用照相机拍 片，而是在输出端用测微目镜读数，则此装置称为 “读谱仪 ”。小型棱镜摄谱仪的 光路见图 4-2。S测微目镜a.摄谱仪光路 b.读谱部分图 4-2 棱镜读（摄）谱仪光路图摄谱仪的内部各光学元件的调整步骤大致如下：1、将摄谱仪及附件按图 4-2a布置， S为待测光源。 L 为聚光透镜，它将光源 S 的像成于狭缝 S1的附近，调节好 S与 L 的位置，使它们与平行光管共轴、等 高，并均匀照亮整个狭缝，使通过摄谱仪的光通量能达到最大值。也可将光源放 到 S1 附近，调整光源的位置，使谱线清晰明亮。2、调节狭缝

5、 S1与透镜 L1 的相对位置，使 S1在 L1 的焦平面上，以产生平行 光。3、调节 L2 的位置使狭缝成像在底版 F 上最清晰。调此步时要将 L2 放于不同位 置，通过拍摄谱线进行比较，得出最佳位置。4、调节底片暗箱的倾角，得到各波长的清晰的谱线，用拍摄谱线的方法，进行 比较。5、转动鼓轮以调节棱镜的角度，使特定波长折射光满足最小偏向角条件。该光 线正好沿与入射方向垂直的方向射出，谱线位于底片当中，相邻谱线位于其两 侧。从照相底版上无法直接 读出各谱线的波长，为了测量 某谱线的波长，我们必须在待 测谱线的上方或下方并排拍 摄一已知波长的光谱，叫做比 较光谱，如图 4-3 所示，比较 光谱一

6、般为铁光谱，铁谱通过 纯铁电极的电弧放电得到。拍 图 4-3 比较谱与待测谱 摄上、下两排比较光谱时，应该选择不同的曝光时间，以得到所有波段都较为清 晰的谱线。用读谱法实验时，可采用氦氖灯光源光谱作为比较谱。设待测谱线 的上方临近两测有已知波长为 和 的谱线， 与 之间 的距离为 d， 与 之间的距离为 x ，且而又相差很小时，波长差与间距满足以下关系：-4)由 dx (4-5) 即可得出待测谱线波长 。这种求波长的方法叫 “线性内插法 ”。 应用(411)式时必须注意以下三点： 第一，在拍摄待测谱线与比较谱线时，要注意不要将照相底版盒移动。因为任何 微小的移动都会引起两个光谱的相对移动，此时

7、用内插法计算 时便失去实际 意义。为了保证不移动底版盒就可以并排拍摄两个或两个以上的光谱，在摄谱仪 的平行光管的狭缝前面装有一个光栏，叫哈特曼光栏。如图 4-4 所示。在哈特曼 光栏上并排有三个小孔，保持底版盒的位置不动，移动哈特曼光栏让光分别通过 不同高度的孔，就可以拍摄底片上不同高度的光谱。通常用中间孔用来拍摄待测 光谱，而用上、下两孔拍摄比较光谱。图 44 摄谱仪狭缝前的哈特曼光栏 第二，使用线性内插法计算 的值时，要求三条谱线的间隔足够小。因此，本 实验使用铁光谱作为已知谱。因为在可见与紫外波段，铁光谱谱线较均匀而密集 地分布着，并且前人已经标定了每条谱线。第三，选择谱线时，最好使三根

8、谱线的几何间隔小于 1 毫米，不过谱线间隔也不 宜太近，以免两谱线连成一片而引进测量误差。同时要选用狭细而黑度适中的谱 线，使它们的几何位置的测量误差尽可能小一些。用读谱法时，原理与照相法类似，将暗盒取下，换上测微目镜，调整光路，在目 镜内观察到清晰的光谱线，目镜上的刻度能记录下两条光谱线间的距离。用氦氖 光谱作为比较光谱，由 “线性内插法 ”得到氢光谱线的波长。 实验用氢灯获得氢原子发光。实验方法与内容：一、照相法：1、调整电弧（不做） 铁谱电流一般在 3 安培左右，将两电极对正，两电极的间隙 35毫米，打开电 弧发生器，应产生稳定的弧光，否则应对电极进行调整。2、调整光路光路如图 44 所

9、示。摄谱仪的内部光路一般已按前面所述的方法调整好，因此 只需调节外光路，即，调节光源（铁电弧）与透镜 L，使光均匀照亮入射狭缝。3、拍摄氢光谱将氢灯放于狭缝前，通过毛玻璃观察谱线，调整氢灯的位置，使观察屏上显示出 四条光谱线，装好干板，拍摄氢光谱。曝光时间数十秒。4、拍摄比较光谱打开电弧，待其稳定后，打开狭缝前的光门，曝光 12 秒钟。5、按照规定的时间和温度冲洗照相底片。 注意：改变光源，拍摄不同谱线时，只能移动哈特曼光栏。6、用“线性内插法 ”测量和计算氢光谱线的波长a 为每一条氢光谱线选定一组合适的比较光谱和两条合适的铁光谱线。b 把在照相底片上位于这些氢光谱线附近的铁光谱与实验室提供的

10、铁光谱图做 对比，根据铁光谱线的相对强度和相对间距等特点，在铁光谱图上找出被选定的 铁光谱线并读出其波长值。c 对每根氢光谱线，用阿贝比长仪测出 d与 x的值，算出氢光谱 、 、 的波长。 （用 45 式算出的值是在空气中的波长，因为铁光谱图上标出 的是在空气中的波长 ）。7、求里德堡常数 RH 的值，并与 RH 的公认值进行比较。二、读谱法：1 调整光路 首先通过测微目镜找到氢光谱的清晰谱线，并记录其位置读数。换上氦氖光源， 找到氦氖光谱线，参照氦氖标准谱，记录下每条氢光谱两侧的氦氖光谱。 2用“线性内插法 ”测量和计算氢光谱线的波长3. 求里德堡常数 RH 的值，并与 RH 的公认值进行比较。三、数据处理1 确定对应于每根氢光谱线的 n值和 n0值：首先算出每根氢光谱线的波数真空 空气 的值，然后根据公式 （42），先假设 n0 的值，定出对应于各 的 n 的可能值，做 个 的值。2 求里德堡常数的平均值。 1 曲线，得到截距，由此确定 n0的正确值和各个 n2n3 用测得的 RH 值，计算各能级的光谱项。hcn2以水平线表示相应于这些光谱项的能级。在能级旁应标出它的n值与 Tn 值。再用箭头表示相应于巴尔末系的四条谱线的跃迁，并在箭头旁写出相应的