氢氘原子光谱
实验简介:
19世纪，当人们还不知道原子的真正结构时，就已经知道，各种原子或分子发的光是不一样的，每种原子或分子有它自己的特征光谱，例如，通常原子发射的是线光谱，分子发射的是带光谱，但是人们不能解释这些光谱现象。
随着实验数据的不断积累，人们逐渐总结出一些原子光谱的规律，发现氢原子是所有原子中最简单的原子，其光谱规律及核与电子之间的相互作用是最典型的。
各种原子光谱线的规律性研究是首先在氢原子上得到突破的。 100多年来，人们不断研究氢原子，包括类氢原子的光谱结构，在实验方面和理论方面都取得了丰硕的成果。实验上对精细结构进行探测，数据越来越精确；理论上越来越圆满的解释了谱线的成因，提出了越来越接近于实际情况的理论模型，发展了电子与电磁场相互作用的理论，促进了对物质结构的深入认识。因此，对氢光谱规律的研究不但有历史意义，也有现实意义。
自然界中的许多元素都存在同位素，他们的原子核具有相同数量的质子，但中子数不同。反映在谱线上，同位素所对应的谱线发生位移，这种现象称为同位素位移。同位素位移的大小与核质量有密切关系，核质量越轻，位移效应越大，因此氢同位素具有最大的同位素位移，1932年，尤莱（Urey）根据里德伯常数随原子核质量变化的理论，用蒸发液氢的方法获得重氢含量较高的氢和重氢混合物，然后对其莱曼线系进行了射谱分析，发现氢原子光谱中每条线都是双线。通过波长测量并与假定的重氢核质量所得的双线波长相比较，实验值与理论值符合得很好，从而确定了氢的同位素——氘（D）的存在。
本实验以氢氘原子光谱为研究对象，研究获得同位素光谱的实验方法，分析方法及其在微观测量中的应用。
实验原理 :
巴尔末总结出来的可见光区氢光谱的规律为：
（n = 3，4，5 ……）
式中的B=364.56nm。此规律可改写为：
式中的为波数，为氢的里德伯常数（109 678cm）。
根据玻尔理论或量子力学中的相关理论，可得出对氢及类氢离子的光谱规律为：
其中，和为整数，z为该元素的核电荷数，相应元素的里德伯常数为：
其中，m和e为电子的质量和电荷，c是真空中的光速，h为普朗克常数，M 为原子核的质量。显然，随元素的不同R应略有不同，但当认为M→∞时，便可得到里德伯常量为：
这与玻尔原子理论（即电子绕不动的核运动）所推出的R值完全一样。现在公认的的值为：10973731m，这与理论值完全符合。有了这样精密测定的里德伯常量，又可以反过来计算还没有测定的某些元素的里德伯常数。即：
比如应用到氢和氘为：
可见，氢和氘的里德伯常数是有差别的，其结果就是氘的谱线相对于氢的谱
线会有微小的位移，叫同位素位移。和是能够直接精确测量的量，测出它们，也就可以计算出氢和氘的里德伯常数。同时还可以计算出氢和氘的原子核质量比。
式中是已知量。注意：波长应为真空中的波长，同一光
波，在不同介质中波长是不同的，唯有频率及对应光子的能量是不变的，我们的测量往往是在空气中进行的，所以为精确得到结果时应将空气中的波长转换为真空中的波长。
实验内容
1.打开光谱仪控制箱电开关，
选择光电倍增管的工作方式。
2.阅读光栅光谱仪使用说明书
理解光谱仪的工作原理和工作界面中“工作方式”、“工作范围”、工作状态“、“采集次数”、“读取数据”、“单程”、“检索”等功能键的意义，掌握获取光谱、读取光谱数据及保存光谱数据的方法。
3. 选择合适的实验参数，获得Hg光谱：
适当改变实验参数，如“负高压”、“增益”等，并选取适当的寄存器，运行软件，获得Hg光谱。
4.谱线的定标和测量：
以Hg435.84nm谱线为基准，运行软件进行波长修正。
读出Hg光谱各标准波长与相应Hg光谱的各波长值，即Hg光谱的测量值。作Hg 光谱标准波长与Hg光谱测量波长的的关系拟合图，获得波长的修正公式。
5.选择合适的实验参数，获得氢氘光谱：
点燃氢氘灯，选取合适的狭缝宽度、“工作方式”、“工作范围”、工作状态“中的相关参数和寄存器，运行软件，获得氢氘巴尔末线系在可见光范围内的4对谱线（谱线波长在400nm-660nm 之间）。
测氢氘巴尔末线系可见光区各波长值，根据光谱波长修正公式，修正氢氘光谱波长值；计算氢、氘里德伯常数。
实验仪器
?WGD-8A型多功能光栅光谱仪、
?氢氘灯（HD）
?汞灯（Hg）
?微机等。
?光源：用氢氘放电管作为光源，用摄谱仪拍摄光谱。
?氢氘放电管是将氢气和氘气充入同一放电管中，当一定的高压加在放电管的两极上时管内的游离电子受到电场作用作用飞向阳极，并因此获得越来越大的动能，当它们与管中的氢、氘分别碰撞时，使氢氘分子离解为氢原子和氘原子，并进入激发状态，当它们回到低能级时产生光辐射。
多功能光谱仪
多功能光谱仪的内部结构
多功能光谱仪的运行机理
思考题
1.入射狭缝宽度和出射狭缝宽度会对实验产生什么影响？）
2、用空气折射率n=1.00029修正氢氘的里德伯常数，并与标准值比较。
氢原子光谱 摘 要：本实验用光栅光谱仪对氢原子光谱进行测量，测得了氢原子光谱巴尔末线系的波长，求出了里德伯常数。最后对本实验进行了讨论。 关键词：氢原子光谱，里德伯常数，巴尔末线系，光栅光谱仪 1. 引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 2. 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 （1） 式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。 λ0＝364.57ｎｍ是一经验常数。 ｎ取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 （2） 式中ＲH 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 （3） 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，ε0为真空 42 2 0-=n n H λλ??? ??-==22 1211~n R v H H H λ)/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ
摘要：本实验用光栅光谱仪对氢原子光谱进行测量，测得了氢原子光谱巴尔末线系的波长， 求出了里德伯常数。最后对本实验进行了讨论。 关键词：氢原子光谱，里德伯常数，巴尔末线系 正文 一、引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里（H. C. Uery ）根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素——氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 WGD-3型光栅光谱仪用于近代物理实验中的氢原子光谱实验，一改以往在摄谱仪上用感光胶片记录的方法，而使光谱仪既可在微机屏幕上显示，又可打印成谱图保存，实验结果准确明了。 二、实验目的 1、熟悉光栅光谱仪的性能和用法； 2、用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数； 三、实验原理 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 2 024 H n n λλ=?- 式中H λ为氢原子谱线在真空中的波长，ι0＝364.57nm 是一经验常数；n 取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 式中H R 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 ??? ??-==221211~n R v H H H λ)/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ
氢原子光谱 一．实验目的 1．熟悉光栅光谱仪的性能和用法 2．用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数 二．实验原理 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 2 024 H n n λλ=- （1） 式中H λ为氢原子谱线在真空中的波长。0364.57nm λ＝是一经验常数。n 取3,4,5等整数。 若用波数表示，则上式变为 221 112H H R n νλ?? = =- ??? （2） 式中H R 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 () () 242 2 3 0241/Z me Z R ch m M ππε= + （3） 式中M 为原子核质量，m 为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，0ε为真空介电常数，Z 为原子序数。 当M →∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数)
() 242 2 3 024me Z R ch ππε∞= （4） 所以 () 1/Z R R m M ∞ = + （5） 对于氢，有 () 1/H H R R m M ∞ =+ （6） 这里H M 是氢原子核的质量。 由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线j 的波长，借助（6）式可求得氢的里德伯常数。 里德伯常数R ∞是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上有重要意义，目前它的推荐值为()=10973731.56854983/R m ∞ 表1为氢的巴尔末线系的前四条波长表 表1 氢的巴尔末线系波长 值得注意的是，计算H R 和R ∞时，应该用氢谱线在真空中的波长，而实验是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长。即1λλλ?真空空气＝＋，氢巴尔末线系前6条谱线的修正值如表2所示。 表2 真空—空气波长修正值
氢原子跃迁与氢原子光谱 玻尔原子理论第三条假设的“跃迁’指出：原子从一个定态(设能量为En ）跃迁到 )时．它輻射和吸收一定频率的光于．光子能量由这两个定态另一种定态(没能量为E K 能量差决定，即hυ=En-Ek 若原于原来处于能级较大的定态——激发态．这时原子处于不稳定的能量状态，一有机会让会释放能量．回到能量较小的激发态或基态（能级最小的定态)．这一过程放出的能量以放出光于的形式实现的，这就是原于发光原因。可见原子发光与能级跃迁有必然联系。对于氢原子它们对应关系如上图所示，从图可知当电子从n＝3、4、5、6这四个激发态跃迁到n＝2的激发态时，可得到可见光区域的氢原子光增，其波长"入"用下列公式计算 hc/入=E (1/n2-1/n2) 1 其中n=3,4,5,6．相应波长依次为: h α=656.3nm,hβ=486.1nm,hδ=434.1nm,hγ=410.1nm. 它们属于可见光，颜色分别为红、蓝、紫、紫。组成谱线叫巴耳末线系；若从n＞1的激发态 跃迁到基态，放出一系列光子组成谱线在紫外区，肉眼无法观测,叫赖曼线系.....。 当原子处于基态或能级较低的激发态向高能级跃迁，必须吸收能量。这能量来源有
两种途径。 其一、吸收光子能量、光子实质上是一种不连续的能量状态。光的发射与吸收都是一份一份的，每一份能量E=hυ叫光子能量．光子能量不能被分割的。因此原子所吸收的光子只有满足hυ=En-Ek时，才能被原子吸收，从En定态跃迁到Ek定态。若不满足hυ=En-Ek的光子均不被吸收，原子也就无法跃迁。 例如用能量为123eV的光子去照射一群处于基态的氢原子．下列关于氢原子跃迁的说法中正确的是（） 1）原子能跃迁到n=2的轨道上;2）原子能跃迁到n＝3的轨道； 4）原子能跃迁到n=4的轨道上;3）原子不能跃迁。 通过计算可知E 1-E 2 ＝10.2eV＜I2.3ev；E 3 －E 1 ＝12.09ev＜12.3eV,E 4 一E 1 =12.75eV ＞12.3eV，即任意两定态能级差均不等于12.3eV．此光子原子无法吸收。答案D）正确。 其二、吸收电子碰撞能量。夫兰克——赫兹实验指出：当电子速度达到一定数值时，与原子碰撞是非弹性的，电子把一份份能量传给原子，使原子从一个较低能级跃迁到较高能级，原子从电子处获得能量只能等于两定态能量差。电子与光子不同．其能量不是一份一份的只要人射电子能量大于或等于两定态能量差． 均可使原子发生能级跃迁。 例如,已知汞原子可能能级如下图所示,一个自由电子总能量为9.0电子伏与处 于基态的汞原子发生碰撞，已知碰撞过程中不计汞原子动能变化，则电子剩余能量为（）（A）0.2eV；（B）1.4eV（C）2.3eV（D）5.5eV． 因为E 2-E 1 =4.9ev＜9.0eV,E 3 -E 1 ＝7.7eV＜9.0ev,E 4 -E 1 ＝8.8ev＜9.0ev. 满足人射电子能量大于两定态能量差 .处于基态汞原子分别吸收电子部分能量跃迁到n= 2、3．4能级,而电子剩余能量分别为4.1ev,1.3ev,0.2ev,只选项（A）正确。 摘自《物理园地》
实验2 氢原子光谱的观察与测定 每一种原子都有其特定的线状光谱线。氢原子的光谱线最为简单，且具有明显的规律。测定氢原子可见光谱线的波长对认识原子的分离能级、以及由于能级间的跃迁而产生的光辐射的规律起着重要作用。本实验用读谱仪测量氢原子可见谱线的波长，并通过巴耳末公式推算出氢原子的里德伯常数。 【实验目的】 （1）观察氢原子的可见光谱。 （2）了解读谱仪的结构，掌握读谱仪的调节与使用方法。 （3）通过测量氢原子可见光谱线的波长，验证巴耳末公式的正确性。 （4）准确测定氢原子的里德伯常数。 （5）理解曲线拟合法的意义。 【仪器用具】 WPL —2型读谱仪，氢谱光源，氦氖谱光源，会聚透镜。 【仪器介绍】 整个实验的装置简图如图1所示。 读谱仪是由棱镜摄谱仪改进设计而成。它是利用棱镜分光在物镜上观察光谱的光学仪器。其结构大致可以分为三部分：平行光管系统、色散系统、接收系统。 （1）平行光管系统 平行光管系统包括入射狭缝和入射物镜。入射物镜的作用是使入射狭缝发出的光线变成平行光，所以入射狭缝应放在入射物镜的焦平面上。 （2）色散系统 色散系统实际上就是一个恒偏向棱镜，如图2所示。 它的作用是将光束分解，使不同波长的单色光束沿不同 的方向射出。符合最小偏向角条件的单色光，其入射光束和出射光束的夹角为900。 （3）接收系统 接收系统由出射物镜及放在该物镜焦平面上的目镜组成。不同方向的单色光束经出射物镜聚焦，在其焦平面上得到连续或不连续的依照波长次序排列的入射狭缝的单色像，即光谱。调节光谱的位置时，可以使用水平方向左右移动的手轮、丝杠、滑块、导轨和支架，还包括读出目镜位置用的标尺和100分度的手轮刻度。 手轮转一圈平移mm 1，每分度mm 01.0，要求估读到 1.0分度。目境内的叉丝用来对准被测谱线的中心。 【实验原理】 图 1 图2
实验二十 钠原子光谱 引言 研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现。钠原子是一个多电子原子，原子序数为11，既有稳定的满内壳层，又有自由电子，既存在着原子核和电子的相互作用，又存在着电子之间的相互作用，还有电子自旋运动与轨道运动的相互作用，其光谱结构比较简单，即可用吸收光谱，也可用发射光谱进行研究，在激光光谱日益发展的今天，钠光谱仍是深入研究的对象之一。 一、实验目的 1、WGD-8型组合光栅光谱仪拍摄钠原子光谱的实验方法； 2、测定钠光谱线的波长，通过里德伯关系计算钠原子能级和量子亏损，并绘出能级图。 二、实验原理 在原子物理中，氢原子光谱的规律告诉我们：当原子在主量子数为2n 与1n 的上下两能级间跃迁时,它们的谱线波数可以用两光谱项之差表示： 22 21~n R n R ?=ν, (1) 式中R 为里德伯常量(109 677.581?cm )．当21=n ，2n ＝3，4，5，…，则为巴尔末线系。 对于只有一个价电子的碱金属原子(Li ，Na ，K ，…)，其价电子是在核和内层电子所组成的原子实的库仑场中运动，和氢原子有点类似。但是，由于原子实的存在，价电子处在不同量子态时，或者按轨道模型的描述，处于不同的轨道时，它和原子实的相互作用是不同的。因为价电子处于不同轨道时，它们的轨道在原子实中贯穿的程度不同，所受到的作用不同。还有，价电子处于不同轨道时，引起原子实极化的程度也不同。这二者都要影响原子的能量。即使电子所处轨道的主量子数n 相同而轨道量子数l 不同，原子的能量也是不同的，因此原子的能量与价电子所处轨道的量子数n 、l 都有关，轨道贯穿和原子实极化都使原子的能量减少，量子数l 越小，轨道进入原子实部分越多，原子实的极化也越显著，因而原子的能量减少得越多。与主量子数n
氢原子光谱和里德伯常量测定
摘要： 本文详细地介绍了氢原子光谱和里德伯常量实验的实验要求、实验原理、仪器介绍、实验内容和数据处理，并从钠黄双线无法区分的现象触发定量地分析了此现象的原因和由此产生的误差，结合光谱不够锐亮和望远镜转动带来的误差提出了创新的实验方案。从理论上论证了实验方案的可行性，总结了基础物理实验的经验感想。 关键字：氢原子光谱里德伯常量钠黄双线 Abstract: This paper introduced the hydrogen atoms spectrum and Rydberg constant experiment from experimental requirements, experimental principle, instruments required, content and Data processing. Considering that the wavelength difference of Na-light double yellow line is indistinguishable from human eyes, we analyze the cause of this phenomenon and the resulting errors quantitatively and propose an innovate experiment method combined with inadequate sharpness and lightness of the spectrum as well as the errors brought during the turning of telescope. We verify the feasibility of this method In theory and summarizes the experience and understanding of basic physics experiment. Key words: hydrogen atoms spectrum, Rydberg constant, Na-light double yellow line
氢（氘）原子光谱 侯建强 （南京大学匡亚明学院理科强化部2010级，学号：101242015） 1.引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 2.实验目的 （1）熟悉光栅光谱仪的性能和用法； （2）用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数。 3.实验原理 1.氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 42 2 0-=n n H λλ （1） 式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。 λ0＝364.57ｎｍ是一经验常数。 ｎ取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 ??? ? ?-==22 1211~n R v H H H λ （2） 式中ＲH 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 )/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ （3） 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，z 为原子序数。 当M →∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数) 3202 42)4(2ch z me R πεπ= ∞ （4） 所以
氢原子光谱实验 背景介绍： 原子的电子运动状态发生变化时发射或吸收的有特定频率的电磁频谱。原子光谱是一些线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。原子的发射谱线与吸收谱线位置精确重合。不同原子的光谱各不相同，氢原子光谱最为简单，其他原子光谱较为复杂，最复杂的是铁原子光谱。用色散率和分辨率较大的摄谱仪拍摄的原子光谱还显示光谱线有精细结构和超精细结构，所有这些原子光谱的特征，反映了原子内部电子运动的规律性。 阐明原子光谱的基本理论是量子力学。原子按其内部运动状态的不同，可以处于不同的定态。每一定态具有一定的能量，它主要包括原子体系内部运动的动能、核与电子间的相互作用能以及电子间的相互作用能。能量最低的态叫做基态 ，能量高于基态的叫做激发态 ，它们构成原子的各能级。高能量激发态可以跃迁到较低能态而发射光子，反之，较低能态可以吸收光子跃迁到较高激发态，发射或吸收光子的各频率构成发射谱或吸收谱。量子力学理论可以计算出原子能级跃迁时发射或吸收的光谱线位置和光谱线的强度。 原子光谱提供了原子内部结构的丰富信息。事实上研究原子结构的原子物理学和量子力学就是在研究分析阐明原子光谱的过程中建立和发展起来的。原子是组成物质的基本单元。原子光谱的研究对于分子结构、固体结构也有重要意义。原子光谱的研究对激发器的诞生和发展起着重要作用，对原子光谱的深入研究将进一步促进激光技术的发展；反过来激光技术也为光谱学研究提供了极为有效的手段。原子光谱技术还广泛地用于化学、天体物理、等离子体物理等和一些应用技术学科之中。 原子或离子的运动状态发生变化时，发射或吸收的有特定频率的电磁波谱．原子光谱的覆盖范围很宽，从射频段一直延伸到X 射线频段，通常，原子光谱是指红外、可见、紫外区域的谱． 原子光谱中某一谱线的产生是与原子中电子在某一对特定能级之间的跃迁相联系的．因此，用原子光谱可以研究原子结构．由于原子是组成物质的基本单位，原子光谱对于研究分子结构、固体结构等也是很重要的．另一方面，由于原子光谱可以了解原子的运动状态，从而可以研究包含原子在内的若干物理过程．原子光谱技术广泛应用于化学、天体物理学、等离子物理学和一些应用技术科学中． 实验目的： 1、进一步熟悉光栅光谱仪的性能与使用方法； 2、测量氢原子的光谱，理解原子结构与原子跃迁过程。 实验原理： 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管（氢灯）中的稀薄的氢气（压力为102Pa 左右），可以得到线状的氢原子光谱。在19世纪下半期，已了解到稀薄气体发光产生的光谱是不连续的。从1885年，瑞士中学教师巴耳末发现描述氢原子光谱规律性的巴耳末公式开始，由大量实验数据分析出原子发射的线光谱是由按照一定规律组成的若干线系构成的。例如，氢原子光谱谱线的波数可用下述的经验公式来描述： 4 22 0-=n n H λλ
18.3 氢原子光谱 一．学情分析 1．学生已经掌握的知识 通过“电子的发现”、“原子核式结构模型”的学习学生已经了解关于原子的基本结构，并且在头脑中基本建立起关于原子的核式结构模型，通过α散射实验，估算到原子核半径的数量级为10－15 m，整个原子半径数量级是10－10 m，原子内部是一个十分“空旷”的空间。 2．学生欠缺的地方 虽然学生对原子的结构有了大致的了解，但对于电子原子核周围如何运动，以及它们的能量等都不太了解，而要了解这些问题必须通过一些实验来进一步进行研究与证实，其中比较一种重要的方法是通过“光谱”来认识关于原子内电子的运动与能量问题。 3．教学应对策略 在通过牛顿色散现象激发学生兴趣的基础上，再根据学校内实验室的条件做一些原子光谱实验（如Na光谱等）给学生看，让学生初步认识“光谱”，并了解“光谱”的意义。再通过投影片展出发射光谱（连续、线状谱）和吸收光谱，让学生了解光谱的类型，并认识各种类型光谱的特点，通过让学生明白：每种原子都有其特定的谱线，可以通过这种谱线（对应的有吸收光谱）来进行光谱分析。最后通过最简单的氢原子光谱了认识氢原子光谱特点。根据光谱分析分析出经典的理论的困难为学生进一步深入学习提供心理基础。 二．教材的地位和作用 本节教材是在明确光谱、连续光谱、线状态光谱的概念之后，进一步介绍原子的特征光谱和光谱分析，重点讲述氢光谱的实验规律。原子光谱的事实不能核式结构理论解释、必须建立新的原子模型，这为学生产生进一步深入学习的思想基础，因此，本节教学除让学生通过光谱来认识原子结构之外，也是起取承上启下的作用。 三．教学重点和难点 重点：氢原子光谱的实验规律 难点：经典理论的困难
第3节光谱氢原子光谱 学习目标核心提炼 1.了解光谱、连续谱和线状谱等概念。 3类光谱——连续光谱、发射光谱、 吸收光谱 1个实验规律——氢原子光谱的实 验规律 2.知道氢原子光谱的实验规律。 3.识记巴尔末公式。 4.让学生进一步体会物理规律是在接受实践 检验的过程中不断地发展和完善的。 一、光谱的几种类型和光谱分析的应用 1.光谱的定义：复色光通过棱镜后，分解为一系列单色光，而且按波长长短的顺序排列成一条光带，称为光谱。 2.光谱的分类和比较 光谱分类产生条件光谱形式 发射 光谱 连续谱 炽热固体、液体和高压 气体发光形成 连续分布，一切波长的光都有线状谱 (原子光谱) 稀薄气体发光形成 一些不连续的亮线组成，不同元 素谱线不同 吸收光谱 炽热的白光通过温度较 低的气体后，某些波长 的光被吸收后形成 用分光镜观察时，见到连续谱背 景上出现一些暗线与这种原子 的线状谱对应 各种原子的发射光谱和吸收光谱都是分立的谱线，称为线状谱。对于同一种原子，线状谱的位置相同，不同原子的谱线位置不同，这样的谱线叫原子光谱，它只决定于原子的内部结构。 4.光谱分析 (1)由于原子发光的频率只与原子结构有关，因此可以根据其光谱来鉴别物质的化学组成，这种方法叫做光谱分析。 (2)可用于光谱分析的光谱：明线光谱和吸收光谱。 思考判断
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱。( ) (2)不同原子的发光频率是不一样的。( ) (3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质。( ) (4)稀薄气体发光形成的光谱是线状谱。( ) 答案 (1)× (2)√ (3)× (4)√ 二、氢原子光谱 1.巴尔末公式 (1)巴尔末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式：1λ＝R H ? ?? ??122－1n 2(n ＝3，4，5，6…)，该公式称为巴尔末公式。式中R H 叫做里德堡常数，实验值为R H ＝ 1.10×107 m －1。 (2)巴尔末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值，不能取连续值。巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征。 2.其他谱线：除了巴尔末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴尔末公式类似的关系式。 思考判断 (1)光是由原子核内部的电子运动产生的，光谱研究是探索原子核内部结构的一条重要途径。( ) (2)稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，使气体变成导体。( ) (3)巴尔末公式中的n 既可以取整数也可以取小数。( ) 答案 (1)× (2)√ (3)× 光谱和光谱分析 [要点归纳] 1.光谱的分类
氢原子光谱实验报告 引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。１８８５年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。１９３２年尤里（Ｈ．Ｃ．Ｕｒｅｙ）根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素——氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 ＷＧＤ-３型光栅光谱仪用于近代物理实验中的氢(氘)原子光谱实验，一改以往在大型摄谱仪上用感光胶片记录的方法，而使光谱既可在微机屏幕上显示，又可打印成谱图保存，实验结果准确明了。 实验目的 1.熟悉光栅光谱仪的性能与用法。 2.用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末线系的波长，求里德伯常数。 实验原理 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102 Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 42 2 0-=n n H λλ （1） 式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。 λ0＝364.57ｎｍ是一经验常数。 ｎ取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 ??? ? ?-==22 1211~n R v H H H λ （2） 式中ＲH 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 )/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ （3） 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，z 为原子序数。 当M →∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数) 3202 42)4(2ch z me R πεπ= ∞ （4） 所以
第三节 氢原子光谱 学 习 目 标 ※ 了解光谱的定义与分类 知 识 导 图 知识点1 光谱 1．定义 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按__波长__展开，获得__光的波长__(频率)和强度分布的记录，即光谱。 2．分类 (1)线状谱：由__一条条的亮线__组成的光谱。 (2)连续谱：由__连在一起__的光带组成的光谱。 3．特征谱线 各种原子的发射光谱都是__线状谱__，且不同原子的亮线位置__不同__，故这些亮线称为原子的__特征__谱线。 4．光谱光析 由于每种原子都有自己的__特征谱线__，可以利用它来鉴别__物质__和确定物质的__组成成分__，这种方法称为光谱分析，它的优点是__灵敏度__高，样本中一种元素的含量达到__10－10g__时就可以被检测到。 知识点2 氢原子光谱的实验规律 1．光的产生 许多情况下光是由原子内部__电子__的运动产生的，因此光谱研究是探索__原子结构__的一条重要途径。 2．巴耳末公式 1λ ＝__R ????122－1n 2__(n ＝3,4,5…) 3．巴耳末公式的意义 以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的__分立__特征。 知识点3 经典理论的困难 1．核式结构模型的成就 正确地指出了__原子核__的存在，很好的解释了__α粒子散射实验__。 2．经典理论的困难
经典物理学既无法解释原子的__稳定性__又无法解释原子光谱的__分立特征__。 预习反馈 『判一判』 (1)各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应。(×) (2)炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。(√) (3)巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的。(√) (4)分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素。(√) (5)经典物理学可以很好地应用于宏观世界，也能解释原子世界的现象。(×) 『选一选』 (多选)关于巴耳末公式1λ＝R (122－1n 2)(n ＝3,4,5…)的理解，正确的是( AC ) A ．此公式只适用于氢原子发光 B ．公式中的n 可以是任意数，故氢原子发光的波长是任意的 C ．公式中的n 是大于等于3的正整数，所以氢原子光谱不是连续的 D ．该公式包含了氢原子的所有光谱线 解析：巴耳末公式是分析氢原子的谱线得到的一个公式，它只反映氢原子谱线的一个线系，故A 正确，D 错误；公式中的n 只能取不小于3的正整数，B 错误，C 正确。 『想一想』 能否根据对月光的光谱分析确定月球的组成成分？ 答案：不能。月球不能发光，它只能反射太阳光，故其光谱是太阳的光谱，对月光进行光谱分析确定的并非月球的组成成分。 探究一 光谱和光谱分析 S 思考讨论i kao tao lun 1 早在17世纪，牛顿就发现了白光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱，如图所示。研究光谱有哪方面的意义？ 提示：光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径。 G 归纳总结ui na zong jie 1．光谱的分类
光谱、氢原子光谱教案 教学目标 1、了解光谱的定义和分类；解氢原子光谱的实验规律,知道巴耳末系。 2、学习运用光普分析的方法来进行原子结构与原子运动的分析。展现连续谱线、线状谱线让学生掌握光谱分析研究的原理。 3、了解经典原子理论的困难。 重点难点 重点：氢原子光谱的实验规律 难点：经典理论的困难 设计思想 本节内容在明确光谱、连续光谱、线状态光谱的概念之后,进一步介绍原子的特征光谱和光谱分析,重点讲述氢光谱的实验规律。原子光谱的事实不能利用核式结构理论解释、必须建立新的原子模型,这是学生进一步深入学习的思想基础。设计时重点针对学生学习中的难点,采用实验、图片、视频等多种媒体让学生有比较直观的体会。教学过程中,要抓住运用光谱分析的方式来认识原子结构这一主导思想,这是人们分析与研究原子的一种思想方法,这种方法不同以往学生的学习方法,同时还需要注意的是,初步引入量子观念：波长是分立的,为学生的进步学习提供思想基础。要让学生在获得相关知识的同时,认识到人们在认识客观事物的过程中,不断形成探索自然的一些新方法,理解科学方法对进行科学探索的作用,并理解探究自然奥秘是一项永远止境的认识活动。 教学资源多媒体课件,光谱管,三棱镜 教学设计 【课堂引入】 早在17世纪,牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象, 并把实验中得到的彩色光带叫做光谱。 光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区 域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。 【课堂学习】 学习活动一：光谱的几种类型 实验：牛顿三棱镜色散 介绍光谱的概念：用光栅或棱镜把光按波 长展开,获得光的波长（频率）成分和强度分 布的记录。 （1）发射光谱：物体发光直接产生的光谱。 ①连续光谱 现象：由连续分布的一切波长的光组成。 特点：整个光谱区域都是亮的。 产生：炽热的固体、液体及高压气体的光谱。 案例：白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水 ②线状谱
氢原子光谱实验报告---完成版解读
氢原子光谱 中文摘要：本实验用三棱镜对汞原子光谱进行测量，得出定标曲线；再对氢原子光谱进行测量，测得了氢原子光谱巴尔末线系的波长，求出了里德伯常数。最后对本实验进行了讨论。 关键词：氢原子光谱，里德伯常数，巴尔末线系，三棱镜，汞原子光谱 中图分类号：O433.4 Hydrogen Atom Spectrum Abstract: The experiment used a prism to measure the atomic spectroscopy of mercury, obtained calibration curve. Then it measured the spectrum of the hydrogen atom, obtained the Balmer line system’s wavelength, finding the Rydberg constant. Finally, the experiment has some discussions. Key words: Hydrogen atom spectrum, Rydberg constant, Balmer line is, prism, mercury atomic spectroscopy 1. 引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 2. 氢原子光谱的实验原理 处于激发态的原子不稳定，它要向比i E 低的能态j E （j E 可以是另一激发态，也可以是基态1E ）跃迁。在跃迁的同时，原子将发出能量为ij hv 的光子。从能量
氢原子光谱 1. 引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 2．实验目的 （1）熟悉光栅光谱仪的性能和用法； （2）用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数； 3. 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 42 2 0-=n n H λλ （1） 式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。 λ0＝364.57ｎｍ是一经验常数。 ｎ取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 ??? ??-==221211~n R v H H H λ （2） 式中ＲH 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 )/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ （3） 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，z 为原子序数。 当M →∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德
玻尔的原子模型、氢原子光谱 溧阳市埭头中学 徐斌 一．玻尔原子理论的基本假设： 1、轨道量子化假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的可能轨道是___________的．且电子绕核运动的轨道 半径不是 的。 2、定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同 的状态，因而具有不同的能量，即原子的能量是_______的． 这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中， 原子是________的，不向外辐射能量． 3、跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁 时要________或_______一定频率的光子，光子的能量等于 两个状态的__________，即hν＝___________。 【例1】在氢原子模型中，若已知电子的质量为m ，电荷量为－e ，氢原子在基态时轨道半径为r 1，试问：（静电力常量为k ） （1）电子在基态上运行时的动能E k 1= ； （2）已知原子内电子与原子核间的电势能满足关系r e k E p 2 -=，则氢原子在基态时的电势能E P 1= ；其总能量E 1= ； （3）若氢原子激发态的轨道半径和基态的轨道半径满足关系r n =n 2r 1，则氢原子在激发态时的总能量En = E 1； （4）随着氢原子能级值n 的增加，其动能E k 将 ，势能E P 将 ，总能量E 将 。（填写“增大”或“减小”） 【变式训练1】氢原子辐射出一个光子后，则【 】 A ．电子绕核旋转的半径增大 B ．电子的动能增大 C ．氢原子的电势能增大 D ．原子的能级值增大 【例2】氢原子基态能量E 1=－13.6eV ，当氢原子处于n =5激发态时，求： （1）最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量，才能使它跃迁到该激发态？ （2）该激发态的氢原子向低能级跃迁辐射的光子频率最多有多少种？请画出所有可能的跃迁方式；其中最低频率为多少？最高频率为多少？ （3）若已知钠的极限频率为6.00×1014Hz ，今用一群处于n =5的激发态的氢原子发射的光谱照射钠，试通过计算说明有几条谱线可使钠发生光电效应？ （4）若要使该激发态的氢原子发生电离，则应用多长波长的光照射？ 【变式训练2】已知氢原子的能级规律为E 1=－13.6eV 、E 2=－3.4eV 、E 3=－1.51eV 、E 4=－0.85eV 。现用光子能量介于11eV ～12.5eV 范围内的光去照射一大群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是【 】 A ．照射光中可能被基态氢原子吸收的光子只有1种 B ．照射光中可能被基态氢原子吸收的光子有无数种 C ．激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有4种 D ．激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有2种 【变式训练3】原子从a 能级状态跃迁到b 能级状态时发射波长为λ1的光子；原子从b 能级状态跃迁到c 能级状态时吸收波长为λ2的光子，已知λ1>λ2。那么原子从a 能级状态跃迁到c 能级状态时将要：【 】 A ．发出波长为λ1-λ2的光子 B ．发出波长为2121λλλλ-的光子 C ．吸收波长为λ1-λ2的光子 D ．吸收波长为2 121λλλλ-的光子 二．原子光谱： 1．光谱的分类：
氢原子光谱、氢原子的能级结构、能级公式高考试题 （2013高考江苏物理第12B 题）根据玻尔原子结构理论，氦离子 、: 厲. = （He + ）的能级图如图所示。 电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道? ------------- 一, 5 ---------------------- 2.18 上离氦核的距离 ▲ （选填“近”或“远”当大量He +处在n=4 4----------------- -3.40 的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有 _____ ▲ 条。 ' 2 ------------------ -13.6 解析：电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离 I ------------------ -54.4 近。当大量 He + 处在n=4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有 3+2+仁6条。答案为：近 6 ［2014山东卷］【物理35】（1）氢原子能级如图所示，当氢原子从 n = 3跃迁到n = 2的能级 时，辐射光的波长为 656 nm ?以下判断正确的是 ___________ .（双选，填正确答案标号） a. 氢原子从n = 2跃迁到n = 1的能级时，辐射光的波长大于 656 nm " b. 用波长为325 nm 的光照射，可使氢原子从 n = 1跃迁到n = 2的 能级 ' c. 一群处于n = 3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生 3种谱 ’ 线 - d. 用波长为633 nm 的光照射，不能使氢原子从 n = 2跃迁到n = 3 的能级 39. （1）cd ［解析］⑴由氢原子能级图可知氢原子从 n =2跃迁到n = 1的能级的能级差大于从 n =3 跃迁到n = 2的能级的能级差，根据|E n — E m |= h V 和 V 可知，|E n — E m |= h ：，选项a 错误; 同理从n =1跃迁到n = 2的能级需要的光子能量大约为从 n =3跃迁到n =2的能级差的五倍 左右，对应光子波长应为从 n =3跃迁到n = 2的能级辐射光波长的五分之一左右，选项 b 错误；氢原子从n =3跃迁到n =1的能级的能级差最多有三种情况，即对应最多有三种频率 c 的光谱线，选项c 正确；氢原子在不同能级间跃迁必须满足 |E n — E m V h ：，选项d 正确. ［2014浙江卷］（2）玻尔氢原子模型成功解释了氢原子光谱的实验规律，氢原子能级图 如图2所示，当氢原子从 n = 4的能级跃迁到n = 2的能级时，辐射出频率为 _______________ Hz 的 光子.用该频率的光照射逸出功为 2.25 eV 的钾表面，产生的光电子的最大初动能为 _______ eV. —19 — 34 （电子电荷量 e = 1.60X 10 C ，普朗克常量 h = 6.63X 10 J s ） n E/eV ............ -0.85 --------- -1.51 -13, &
氢原子光谱的测量 一、试验目的 （1）、了解小型棱镜摄谱仪的结构，掌握其分光原理。 （2）、学习用摄谱仪测量光谱波长的基本实验技术。 （3）、测量氢原子光谱巴尔末线系的波长，并计算里德伯常量。 二、实验原理 1、氢原子光谱的规律 原子光谱与原子能级是密切相关的。测量原子光谱的波长可推知原子能级的结构。氢光谱中位于可见光区四条谱线的波长可用下面的经验公式表示： λ B （n=3,4,5,…）（2-232） 式中，B是一恒量，值为364.56nm，是谱线系极限值，即n→∞时的波长值。里德伯将此公式改为波数=1/λ表示 =）（2-233） 式中，R H 称为氢原子的里德伯常量，其实验测量值为109677.6cm-1。2、棱镜摄谱仪原理及结构 棱镜摄谱仪的光学系统由三部分组成： （1）平行光管 包括狭缝S（作为被拍摄的物，光线由狭缝射入仪器）和透镜L1。S 平面位于L1的焦面上，因而从S上每点发出的复色光经L1后变为平行光。 （2）、色散系统 以棱镜作为色散元件。不同波长的平行光经棱镜折射后变为不同方向的平行光。 （3）光谱接收部分 包括透镜L2及放置在L2焦面上的照相感光板F。不同方向的平行光束L2聚焦，成像在不同位置，形成S的一系列单色像S1，S2，…。F放在像面上，就在F上形成一排细线，每一条细线对应于一定的波长，叫光谱线。
图1 小型棱镜光路 图2 摄谱仪光学系统原理图 3、谱线波长的测量 （1）、目测法 用眼睛通过看谱镜直接观测。先用已知波长λs的光谱作标准，通过读数鼓轮来确定待测各谱线的波长λx。 （2）、照相法 将波长已知的光谱线（比较光谱）和波长未知的光谱线（待测谱线）拍摄在同一张感光板上。拍摄时，不能移动狭缝和摄谱暗箱，只能通过抽动哈特曼光阑，使比较光谱和待测光谱中常用线性内插法测量。一般 情况下，棱镜是非线性色散元件，但在一较小波长范围内（约几个nm）