氢氘光谱实验报告

实验氢-氘原子光谱原子光谱的测定与分析，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。

1885年巴尔末（J. J. Balmer ）总结出了氢光谱线的经验公式。

1913年玻尔（N. Bohr ），1925年，海森伯（W.Heisenberg ）建立起他们的理论都是建筑在原子光谱的测量基础之上的。

现在，无论在工业生产部门还是在科学研究领域，原子光谱的观察、测定和分析都是研究原子结构、物质分析的重要方法之一。

在物理学、化学化工、材料、生命科学领域内有广泛的实际应用。

一 实验目的1．掌握WPG-100型平面光栅摄谱仪的工作原理和使用方法，学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。

2．通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长（误差小于0.5Å），验证巴耳末公式并准确测出氢（氘）的里德伯常数。

3．测量氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。

二 实验原理1．原子的激发与辐射原子内部的不同能量状态称为能级。

处于基态的原子可以吸收能量而跃迁到较高的能量状态，这个过程称为原子的激发。

原子也可以从较高的能级退到较低的能级或基态而放出能量，如果放出的能量取辐射形式，那么放出的能量就成为一个光子的能量hv ，这个过程称为原子的辐射。

要使原子发光必须先将它激发，原子激发的方式通常分为碰撞激发和光激发两种。

具有一定能量的电子、原子、分子与某原子相碰撞而使后者激发称为碰撞激发；原子吸收一个光子引起的激发称为光激发，即光的吸收过程。

本实验采用碰撞激发，它又分为热激发和电场引起的碰撞激发两种形式，前者指在高温下各原子有较大的运动速度，相互碰撞而产生激发，本实验的铁光谱就是这种方式产生的。

电场引起的碰撞激发是带电粒子在电场作用下加速运动，与原子发生非弹性碰撞使原子激发，氢（氘）光谱就是采用这种方式产生的。

2．氢原子光谱的实验规律早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可用一个普通的公式表示，即⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2211~n m R v （1）其中：m 取1、2、3、4、5等正整数，每一个m 值对应一个光谱线系，如当m=2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n 取m+1、m+2、m+3、…等正整数，每一个n 值对应一条谱线；R 称为里德伯常数。

实验六 原子光谱实验—氢氘光谱的测量一、 实验目的（1）熟悉光栅光谱仪的基本原理，了解它的性能和使用方法。

（2）熟悉测量氢-氘和其他原子光谱的方法。

（3）计算氢和氘原子核的质量比。

（4）了解并观察钠、汞原子的主要光谱线。

二、 实验原理（1） 测量公式的导出：根据玻尔（Bohr ）原子理论，一个电子绕正电荷为Ze 、质量为M z 的原子核作圆周运动时，其能量是量子化的，可表示为2Z 22220242n1R hcZ n 1h )4(Z e 2E -=πεμπ-= （6-0） 其中ZZ M m mM +=μ 为核与电子的折合质量，ZZ 32042Z Z 32042Z M m 11R M m 11c h )4(me 2M m M c h )4(me 2R +=+πεπ=+πεπ=∞ 称为里德堡（Rydberg ）常数，ε0为真空介电常数，m 为电子质量，h 和c 分别为普朗克常数和真空中的光速，n=1，2，3…，称为能级量子数，而常数1-32042m 10973731ch )4(me 2R =πεπ=∞ 为忽略原子核运动时（即认为原子核质量M Z 趋于无穷）的里德堡常数。

当原子从高能级向低能级跃迁时，便辐射出光子，并满足能量守恒：)m1n 1(hcZ R h 222Z --=ν 其中ν为光子频率，n 为上能级量子数，m 为下能级量子数。

对于氢原子，Z=1，并且对于落在可见区的巴耳末线系m=2（参见图6-0），此时发射出的光谱以波数表示为)n141(R c 1~2H -=ν=λ=ν n= 3，4，5，… （6-1）图6-0 氢原子能级图其中R H 为氢原子的里德堡常数：HH H 3204232042H M m 11R M m mM c h )4(e 2c h )4(e 2R +=+πεπ=πεμπ=∞ （6-2） 同理，对于氢的同位素氘，设核的质量为M D ，其里德堡常数为DD M m 11R R +=∞ （6-3） 将式（6-3）除以式（6-2），有D H HDM m 1M m 1R R ++= 解出M D /M H ，得 )1R R (m M 1R R M M HD H H DH D --= （6-4） 式中M H /m 为氢原子核质量与电子质量之比，采用公认值1836.5。

一、实验目的1. 通过氢氘谱实验，了解氢和氘原子的光谱特性，掌握光谱分析的基本方法。

2. 测量氢和氘原子的巴耳末系发射光谱的波长，计算里德伯常数。

3. 掌握WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪的使用方法。

二、实验原理氢原子光谱是量子力学发展的重要基础，通过研究氢原子的光谱，可以了解原子的能级结构和跃迁规律。

巴耳末系是氢原子光谱中可见光区域的谱线系，其波长满足公式：\[ \frac{1}{\lambda} = R_H \left( \frac{1}{2^2} - \frac{1}{n^2} \right) \]其中，\(\lambda\) 为光波长，\(R_H\) 为里德伯常数，\(n\) 为整数（\(n = 3, 4, 5, \ldots\)）。

氘原子是氢的同位素，其原子核质量略大于氢原子核。

因此，氘原子的光谱与氢原子光谱有一定的相似性，但里德伯常数略有差异。

三、实验仪器1. 氢氘灯2. WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪3. 狭缝4. 光栅5. 摄谱仪6. 滤光片7. 望远镜8. 光电倍增管四、实验步骤1. 将氢氘灯安装于光谱仪的光源位置，调整狭缝宽度，使光通过狭缝。

2. 将光栅光谱仪的入射狭缝与狭缝对齐，调整光栅角度，使光谱仪的出射狭缝与光栅垂直。

3. 将滤光片插入光谱仪的光路中，选取适当的波长范围。

4. 将望远镜对准光谱仪的出射狭缝，调整望远镜的焦距，使光谱清晰。

5. 使用光电倍增管记录光谱数据，测量氢和氘原子的巴耳末系发射光谱的波长。

6. 根据测量结果，计算氢和氘原子的里德伯常数。

五、实验结果1. 氢原子的巴耳末系发射光谱波长：- \( \lambda_1 = 656.3 \, \text{nm} \)- \( \lambda_2 = 486.1 \, \text{nm} \)- \( \lambda_3 = 434.0 \, \text{nm} \)- \( \lambda_4 = 410.1 \, \text{nm} \)2. 氘原子的巴耳末系发射光谱波长：- \( \lambda_1 = 656.5 \, \text{nm} \)- \( \lambda_2 = 486.2 \, \text{nm} \)- \( \lambda_3 = 434.1 \, \text{nm} \)- \( \lambda_4 = 410.2 \, \text{nm} \)3. 氢原子的里德伯常数：\( R_H = 1.097 \times 10^7 \, \text{m}^{-1} \)4. 氘原子的里德伯常数：\( R_D = 1.097 \times 10^7 \, \text{m}^{-1} \)六、误差分析1. 光栅光谱仪的分辨率有限，导致测量结果存在一定的误差。

一、实验目的1. 了解氢氚原子光谱的基本原理和实验方法；2. 通过实验，观察氢氚原子光谱的巴耳末系，测量谱线波长，计算里德伯常数；3. 比较氢和氚原子光谱的差异，分析同位素效应。

二、实验原理氢氚原子光谱实验基于玻尔理论，通过测量氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长，计算里德伯常数，从而验证玻尔理论。

氢氚原子光谱实验原理如下：1. 氢原子光谱：氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。

当氢原子中的电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出光子，形成光谱线。

根据玻尔理论，氢原子光谱的波长可以用以下公式表示：λ = R_H (1/n1^2 - 1/n2^2)其中，λ为光子的波长，R_H为里德伯常数，n1和n2分别为电子跃迁前后的能级，n1 < n2。

2. 氢氚原子光谱：氚是氢的同位素，原子核中含有一个质子和两个中子。

由于氚原子核质量大于氢原子核，其里德伯常数会略有不同。

通过测量氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长，可以计算出两种同位素的里德伯常数，并分析同位素效应。

三、实验仪器与设备1. 光栅光谱仪：用于测量光谱线波长；2. 氢氚灯：提供氢和氚原子光谱光源；3. 激光切割机：用于切割光栅；4. 光栅：用于分光；5. 计算机及数据处理软件：用于数据处理和分析。

四、实验步骤1. 将光栅光谱仪调至合适的工作状态，确保仪器稳定；2. 将氢氚灯接入光谱仪，调整光谱仪参数，使光谱仪能够接收氢和氚原子光谱；3. 打开氢氚灯，观察光谱仪屏幕，调整光栅角度，使光谱线清晰；4. 记录氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长；5. 根据实验数据，计算氢和氚的里德伯常数；6. 分析实验结果，比较氢和氚原子光谱的差异，讨论同位素效应。

五、实验数据与结果1. 氢原子光谱巴耳末系谱线波长（单位：nm）：- 656.3- 486.1- 434.0- 410.12. 氢原子里德伯常数（R_H）：1.0973731×10^7 m^-13. 氚原子光谱巴耳末系谱线波长（单位：nm）：- 656.3- 486.2- 434.2- 410.24. 氚原子里德伯常数（R_D）：1.0973727×10^7 m^-1六、分析与讨论1. 实验结果表明，氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长相近，但略有差异。

实验题目：氢氘光谱实验目的：本实验以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。

实验仪器：WGD-8型多功能光栅光谱仪、氢氘灯、汞灯、微机等。

实验原理：（点击跳过实验原理）1. 原理：根据玻尔理论，原子的能量是量子化的，即具有分立的能级。

当电子从高能级跃迁到低能级时，原子释放出能量，并以电磁波形式辐射。

氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波数为：)121()1()4(222320242nm m c h Z e m Ze e -+=πεπσ（1）其中m Z 为原子核质量，m e 为电子质量，e 为电子电荷，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，c 为光速，Z 为原子序数。

因此类氢原子的里德伯常数可写成：)1(1)4(2320242Ze e Z m m ch Ze m R +⋅=πεπ（2）若∞→Z m ，即假定原子核不动，则有：ch Ze m R e 320242)4(2πεπ=∞ （3）因此：)1(Ze Z m m R R +=∞ （4）由此可见，R Z 随原子核质量m Z 变化，对于不同的元素或同一元素的不同同位素R Z 值不同。

m Z 对R Z 影像很小，因此氢和它的同位素的相应波数很接近，在光谱上形成很难分辨的双线或多线。

设氢和氘的里德伯常数分别为R H 和R D ，氢、氘光谱线的波数σH 、σD 分别为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22121n R H Hσn=3,4,5 (5)⎪⎭⎫⎝⎛-=22121n R D D σ n=3,4,5… （6）氢和氘光谱相应的波长差为：)1()1()1(DH H DH H HD H D H R R -=-=-=-=∆λσσλλλλλλλ（7）因此，通过实验测得氢和氘的巴耳末线系的前几条谱线的谱长及其波长差，可求得氢与氘的里德伯常数R H 、R D 。

根据式（4）有：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∞H e Hm m R R 1/ （8） ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=∞D e D m m R R 1/（9） 其中m H 和m D 分别为氢和氘原子核的质量。

氢氘灯光谱实验报告【实验目的】1. 了解平面光栅单色仪的结构与使用方法。

2. 验证氢同位素的存在。

用光栅光谱仪测量氢、氘原子光谱巴耳末线系的前四对谱线波长（4100～6500A o左右），计算氢氘里德伯常数。

3. 通过实验，计算氢和氘的原子核质量比/D H M M ,计算质子与电子的质量比。

【实验原理】1. 氢、氘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。

瑞士物理学家巴尔未根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式=式中为氢原子谱线在真空中的波长，＝364.57 nm 是一经验常数；n 取3,4,5等整数。

若用波数表示，则变为==()式中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=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，为真空介电常数，Z 为原子序数。

当时，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）所以对于氢，有这里是氢原子核的质量。

由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线的波长，可求得氢的里德伯常数。

里德伯常数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=10973731.568549(83)谱线符号波长(nm)658.280486.133434.047410.174397.007388.906383.540379.791377.063375.015值得注意的是，计算和时，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。

即真空=空气＋，氢巴尔末线系前6 条谱线的修正值如表所示。

氢谱线0.181 0.136 0.121 0.116 0.1120.1102.关于/同一元素的不同同位素且有不同的核质量和电荷分布，由此引起原子光谱波长的微小差别称为“同位素位移”。

实验五 氢、氘原子光谱实验一、实验目的1．学习使用WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪测谱的方法。

2．测定氢原子巴尔末系前几条谱线的波长，验证巴尔末公式。

3．测定氢同位素氘谱线位移，计算氢、氘雷德堡常数，计算电子与质子的质量比，计算氢、氘的核质量比。

二、实验原理1672年牛顿证明了白光是由各种色光复合而成的，因而色光在性质上比白光更简单。

1800年赫谢尔发现了红外辐射，1801年李特和沃拉斯顿发现了紫外辐射，1815年夫朗和费发现了太阳光谱中的锐黑线。

随着人们对各种光谱现象的深入研究，逐渐加深了对物质结构的认识，从而进入了原子的世界。

从这个意义上说，现代的量子力学是在光谱学的摇篮里长大的。

值得一提的是，氢光谱的研究成果在原子结构理论的产生过程中起过巨大的作用。

氢原子的光谱是最简单的光谱，它有相互独立的光谱系，其中只有一个线系在可见光区，即巴尔末（Johann Balmer 瑞士的中学教师）线系，其中比较明亮的谱线有四条如图1： 各谱线波长如下；H α ～656.28 nm H β ～486.13 nm H γ ～434.05 nm H δ ～410.18 nm这些谱线的波长的倒数很有规律n=3、4、5，…υ~ 称为波数，R 是雷德堡常数。

以后又继续发现了氢的一系列线系：赖曼（Lgman ）系 远紫外 n=2、3、4…帕邢（Paschen ）系 近红外 n=4、5、6…布拉开（Brackett ）系 红外 n=5、6、7…普芳德（Pfund ）系 红外 n=6、7、8…)121(~122nR -==υλ)111(~22nR -=υ)131(~22n R -=υ)141(~22n R -=υ)151(~22nR -=υ这些已知的氢原子光谱，可以用一个普遍的公式表示，就是广义巴尔未公式： m 、n = 1、2、3…n ＞m（1）现在，在普通的实验室里人们观察到的谱线可达到相应于m=6，n=7的水平，在射电天文望远镜的观测中已经接收到相应于m ＝158， n=159的1651兆赫谱线。