光学多道与氢氘同位素光谱

1、光学多道与氢氘同位素光谱王舒涵 201311141005日期：2015年12月24日 指导教师：王亚非【摘要】本实验利用光学多道分析仪，用氦氖光谱线作为已知波长进行定标，测量了 H在巴尔末系下n=3,4,5,6的波长。同时利用光电倍增管得到氢氘400660nm的光谱。【关键词】CCD,光电倍增管，光栅，光学多道分析仪。一、引言：光谱学在物理学、计量学、化学、生物学、医学、刑侦学、地质学、冶金学、矿物学、 考古学及许多技术方面有重要的应用，主要用于材料结构的参数测定物理性质的诊断，及物 质中元素的定性和定量分析。氢光谱的试验和理论研究都占有特别重要的地位，1885年瑞典物理学家巴尔末发现了可见光

2、区H光谱谱线波长的规律，即巴尔末公式，这些谱线构成了巴尔末系。D光谱与H光 谱极为相似，但他们原子核质量不同，对应谱线的波长稍有差别，这种差别称为“同位素位 移”。本实验利用光学多道分析仪研究H的同位素光谱，了解H、D原子谱线的特点，学习 光学多道分析仪的使用方法和基本的光谱学技术。二、实验原理：在量子化的原子体系里，原子能量状态，为一系列分立的值，原子的每一个能量状态 称为原子的一个能级。原子的最低能级称为原子的基态，高于基态的其余各个能级称为原子 的激发态。处于高能级的原子，总是会自发跃迁到低能级，并且发射光子，设光子能量为 频率为v,高能级为E2,低能级为E1,则= hv= E - E

3、=化E TOC o 1-5 h z 21h由于原子的能级是分立的，所以原子由高能级向低能级跃迁时，会发射一些特定频率的 光，在分光仪上表现为一条条分立的光谱线，称为“线状光谱”或“原子光谱”。而波长 的倒数是波数，它的值由巴耳末公式决定。对于H原子有 丄=r （丄丄）（R为H原子九 H n 2 n 211H12的里德伯常量）。当气=2,气=3, 4, 5,时，为巴耳末系，大部分在可见光区。与H类似，其同位素D的巴耳末系公式为D 22n 2=R （ ）,D 22n 2D式中，Rd为D原子的里德伯常量。盯山的巴耳末系对应谱线的波长差为r 11 r 11 1R122n2丿,n = 3,4,5AX =

4、 X X =HD显然，H、D的光谱之间的差别在于它们的里德伯常量不同，这是由于它们的原子核质 量不同引起的。H核是质子，D核是一个质子和一个中子构成的，质子和中子的质量几乎没 有差别，则二同位素原子的里德伯常量可以分别写成 TOC o 1-5 h z m2 mR = Rp,R = RpH 9 m + m D 9 2m+ mpepe式中，R = 109737.31cm-1,表示原子核质量为无穷大时的里德伯常量。r 11 r丄丄)-1RhR JD z:22n2丿,n ,n = 3,4,5.中可将两原子的里德伯常量做比后带入AX = X X =厂）（一厂）（一）-1 =eXR 22 n 22m +

5、m DDp e-丄）-1以得至IAX = X -X =(HDRH电子的静止质量为9.109534x10-31kg，比质子质量的二倍小约4个数量级，因此相比质子质量可完全忽略，由此得到AXuX2m Dp如果能从实验中测出对应谱线的波长X和波长差AX，即可求出电子和质子的质量比。由于实验中测得的波长与波长差都是在空气中的数值，因此我们需要将数据转换成真空中的数值，计算真空中的波长应乘以空气的折射率n 一 1pben -1 = tJr1 + atp1 + at0式中，n空气的折射率P01.01X105Pat室温b4.1X 10-ioPa-ip室内气压al/273C-ie水蒸气压力ng标准大气压下的群

6、速度折射率且有：ng3=1 + A + B +X 2春C其中， A = 2876.04 x 1 0-7, B = 16.288 x 1 0-7 m2,C =0.136x10-7m4。实验室条件下，标准大气压和真空中的群速度折射率相差微小，计算中我们可以用n的数值来近似代替n的数值。g三、实验装置：实验中使用了光学多道分析仪（简称0MA），主要由光学多色仪，电荷耦合器件（简称 CCD）或光导摄像管，及带有专用微处理器组成的数字处理系统三部分组成。OMA是一种采 用多通道方法检测和显示微弱光谱信号的光电子仪器，具有高灵敏度、高效率、瞬时宽光谱 探测范围和时间分辨等优点。本实验中使用的光学多道分析仪

7、由光栅多色仪,CCD接收单元，电子信号处理单元，A/D采集单元和计算机组成。平面光栅多色仪的光路图如图1图平面光栅多色仪的光路图如图1图1 多色仪光路图M平面反射镜mM平面反射镜m2准光镜m3物镜M可旋转平面镜S2CCD感光平面s3观察窗G平面衍射光栅入射光通过狭缝S经过平面镜M反射后，被凹面镜M2反射为平行光投射到光栅G 上, 由于光栅的衍射作用，不同波长的光被反射到不同的方向上，再经过凹面镜m3反射，成像在CCD感光平面所在的焦面S上，还可以由可旋入的平面镜M反射到观察窗S或出射狭缝 243上。实验中使用CCD将光学图像转化为电学图像，即电荷量与各成像点照度大致成正比的电 荷包空间分布，因

8、此，它可以“瞬时”记录光信号的空间分布，具有高灵敏度，低噪声，快 速读出，高动态范围和宽光谱响应范围等优点。实验中使用光电倍增管对H-D进行了扫描，光电倍增管是一种将弱光信号转化为电信号 的真空电子器件。基本原理为光电效应，当光照到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子， 这些光电子按聚集极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大，放大后的 电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外 可见和近红外区的辐射能量的光探测器中具有极高的灵敏度和极低的噪声。故实验中用光电 倍增管观察两条距离很近的谱线的分离，更加精确。四、实验内容及记录：1、估算氢光谱巴

9、耳末线系n2W6几条谱线的波长根据公式丄=r (丄丄)，R = R 一以及mm,且R = 109737.31cm-1,九 h n 2 n 2H g m + mpe*H12p e估算得下表：n23456估算波长(nm)656.11486.01433.94410.072、用CCD光学多道系统测量氢光谱由于CCD摄谱范围为22nm，所以调节中心波长至氢灯某一谱线附近，使该谱线大概位 于中间位置，若得出的谱线远远地偏离中央，则需对中心波长进行修正。以He灯、Ne灯为标准谱线进行定标，要求在摄谱范围上至少能观察到2条标准谱线， 用已知谱线波长进行线性定标，然后进行“寻峰”，将所得的峰值对应波长与已知标准

10、值进 行对比，判断定标是否正确。定标正确后，换上氢灯，调节入射狭缝以及氢灯的位置，使得观察到的谱线光强最强 且线形细锐便于观察。测出该谱线波长值。定标并记录的图像如后附图图1图4所示。结论如下：n标准谱灯中心波长定标波长1定标波长2定标波长3H波长误差3Ne660nm650.66nm653.26nm659.9nm656.45nm0.069%4He485nm471.32nm492.20nm486.87nm0.179%5He446nm438. 79nm443.75nm447.14nm433.35nm0.149%6He412nm402.62nm412.09nm414.38nm410.58nm0.14

11、1%分析：在一定误差范围内，由此测量出的H波长都与估算出来的波长一致，误差非常小。误差在于仪器本身不稳定造成的误差、室内光源的影响、定标时寻峰产生的误差等等。3、用光电倍增管测量氢氘光谱(1)在CCD的工作方式下放上氢氘灯，调节入射狭缝以及氢氘灯的位置，使谱线的强度尽 量强并且在423nm处氢谱线和氘谱线能明显分离，然后退出CCD工作状态；(2)启用光栅光谱仪的光电倍增管工作模式，分别对n2=3、4、5的谱线进行单程扫描并观 察，打印三次分立的两条光谱以及400nm-660nm间的谱线，并确定波长。记录的图像由后附图图5图6所示。结论如下：nH波长D波长3655.85nm658.18nm4483.87nm484.00nm5431.58nm431.70nm6407.58nm407.10nm分析：如表所示，H和D的光谱分开，波长不同。但n越大，误差越大，分裂