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光学多道与氢、氘同位素光谱武晓忠201211141046（北京师范大学2012级非师范班）指导教师：何琛娟实验时间：2014.9.16摘要本实验通过光学多道分析仪来研究了H、D的光谱，观察并了解了H、D原子谱线的特征。
H和D的光谱非常相似，但是二者的巴尔末系的同一能级的光谱之间仍有波长差，用光电倍增管可以测量出这个差值。
通过实验我们也学习了光学多道分析仪的使用和基本光谱学技术关键词光学多道H、D光谱1、引言光谱是不同强度的电磁辐射按照波长的有序排列，而原子光谱是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱。
由于氘原子和氢原子核外都只有一个电子，只是里德伯常量有一些差异，因此对应的谱线波长稍有差别。
我们可以在实验中通过测出对应的谱线λ和Δλ来得到二者的里德伯常量和电子与质子的质量比。
2、原理2.1 物理原理可知原子能量状态为一系列的分立值，有一系列的能级，并且当高能级的原子跃迁到低能级的时候会发射光子。
设光子能量为ε，频率为ν，高能级为E2，低能级为E1，则有：ε= hν=E2-E1 （1）从而有ν=E2−E1（2）h由于能量状态的分立，发射光子的频率自然也分立，这些光会在分光仪上表现为分立的光谱线，也就是“线状光谱”。
根据巴尔末公式，对氢原子有1λH =R H(1n12- 1n22) （3）R H为氢原子的里德伯常量。
当n1=2, n2=3,4,5,····时，光谱是巴尔末系，在可见光区域。
对氘原子，同样有1λD =R D(1n12- 1n22)（4）R D是氘原子的里德伯常量，当n1=2, n2=3,4,5,····时，光谱是巴尔末系。
则Δλ =λH-λD= (1R H - 1R D) (122- 1n2)，n=2,3,4, (5)若忽略质子和中子的细微差别，我们可以得到H、D的里德伯常量关系为：R H=R∞m pm p+m e , R D=R∞2m p2m p+m e（6）又知R∞=109737.31cm−1，它是原子核质量为无穷大时候的里德伯常量则1 R H =2（m p+m e2m p+m e）1R D（7）1 R H - 1R D=m e2m p+m e1R DΔλ=m e2m p+m e [1R D∗1/(122- 1n2)]=m e2m p+m eλD（8）由于m e≪m p，则ΔλλD ≈m e2m p（9）因此只要在实验中测出对应谱线λ和Δλ即可得电子和质子质量比。
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。
光学多道与氢氘同位素光谱
首先，光学多道谱仪是一种用于测量光谱的仪器。
它通过将光分散成不同波长的组成部分，并将其定量地记录下来，从而提供了有关光的能量分布和波长特性的信息。
光学多道谱仪通常由光源、入射系统、分光系统、检测器和数据处理系统等组成。
它可以用于研究物质的吸收、发射、散射等光学性质，从而揭示物质的结构和特性。
氢和氘是两种同位素，它们的原子核中分别含有一个质子和一个中子，或一个质子和两个中子。
由于氢和氘的核结构不同，它们的光谱特性也有所不同。
氢氘同位素光谱研究主要关注氢和氘在光谱中的吸收、发射、散射等现象，以及它们与其他物质相互作用的过程。
在研究氢氘同位素光谱时，可以使用光学多道谱仪来记录氢和氘的光谱信息。
通过测量氢氘光谱的特征峰的位置、强度和形状等参数，可以获得有关氢氘同位素的结构、能级和相互作用等信息。
这对于理解原子和分子的性质、反应机制以及物质的动力学过程具有重要意义。
此外，研究氢氘同位素光谱还可以应用于其他领域。
例如，在
天文学中，通过观测氢氘同位素的光谱可以研究星系、星际介质和
宇宙的演化过程。
在化学和生物化学中，氢氘同位素标记技术被广
泛应用于研究分子结构、代谢途径和药物代谢动力学等方面。
总结起来，光学多道与氢氘同位素光谱是一个涉及到光学和原
子物理的研究领域。
通过使用光学多道谱仪来记录氢氘光谱的信息，可以获得有关氢氘同位素的结构、能级和相互作用等重要信息。
这
对于理解物质的性质、反应机制以及宇宙的演化过程具有重要意义。
光学多道与氢氘同位素光谱作者：北师南乡子 实验日期： 2013年9月 指导教师：王海燕 【摘要】本实验先利用CCD 光学多道系统，通过对已知波长的氦、氖光谱进行定标测量氢光谱巴耳末系的谱线，然后用单色仪测量氢氘同位素光谱，得到氢氘光谱的波长值；利用这些测得值计算出了氢、氘的里德伯常量分别为R H =109685.07cm -1和R D =109715.98cm -1，同时通过计算得出了质子与电子质量之比为/p e m m =1783.18，与理论值1836.15相比误差为2.88%。
关键词：光学多道 、CCD 、氢氘光谱、光电倍增管一、 引言光谱学在原子分子物理、天文物理、等离子体物理、激光物理和材料物理等物理学科中有重要作用。
纵观整个光谱学史，氢光谱的实验和理论研究都占有特别重要的地位。
在1885年，瑞士物理学家巴耳末就发现了巴耳末公式，即可见光区氢光谱谱线波长的规律。
1892年美国物理学家尤雷等发现氢的同位素氘（D ）的光谱。
氢原子和氘原子的核外都只有一个电子，故光谱极为相似，但由于原子核质量的不同波长也有所差别，这种差别就称为“同位素位移”。
本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研究氢氘光谱，了解其谱线特点， 并学习光学多道仪的使用方法及基本的光谱学技术。
二、 实验原理在原子体系中，原子的能量状态是量子化的。
用1E 和2E 表示不同能级的能量，ε表示跃迁发出光子的能量，h 表示波尔兹曼常量，ν表示光子的频率，对于原子从低能级到高能级的跃迁我们有：21h E E εν==-，其中21E E hν-=（1） 由于原子能级的分立，频率ν也为分立值，在分光仪上表现为一条条分立的“线性光谱”，这些频率由巴耳末公式确定：H 原子：2212111H H R n n λ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ （2） 其中1n 和2n 为轨道量子数，H R 为氢原子的里德伯常数。
当1n =2，2n =3，4，5……时，公式（2）对应氢原子巴耳末系。
氢氘原子光谱实验报告氢氘原子光谱实验报告引言：光谱实验是物理学和化学学科中一项重要的实验技术，通过观察和分析物质发射、吸收光的特性，可以揭示物质的组成、结构以及性质等信息。
本次实验旨在通过研究氢氘原子的光谱特性，深入了解原子结构和能级跃迁的规律。
实验方法：实验采用了经典的光谱仪装置，包括光源、光栅、光谱仪和探测器等。
首先，我们将氢氘气体注入光谱仪中，利用光源激发氢氘原子，使其发射特定波长的光。
然后，通过光栅的衍射作用，将光分散成不同波长的光谱线。
最后，使用探测器记录光谱线的强度和位置。
实验结果：在实验过程中，我们观察到了氢氘原子发射光谱的多个谱线。
根据经验公式和已知的光谱线数据，我们可以推导出氢氘原子的能级结构。
在可见光区域，我们观察到了红、黄、绿、蓝等不同颜色的谱线。
这些谱线对应着不同的能级跃迁，从而揭示了氢氘原子内部电子的运动规律。
讨论：通过对氢氘原子光谱的研究，我们可以得到一些有趣的结论。
首先，我们发现氢氘原子的能级结构与氢原子类似，但存在一些微小的差异。
这是由于氘原子的质量稍大，从而导致了能级的微小变化。
其次，我们发现氢氘原子的光谱线相对较宽，这与氘原子的自旋和核自旋耦合有关。
这种耦合导致了能级的分裂，从而使得光谱线变宽。
此外，我们还观察到了氢氘原子的吸收光谱。
当我们通过光源照射氢氘原子时，一部分光被吸收，导致光谱线的减弱或消失。
通过分析吸收光谱，我们可以得到氢氘原子在不同波长下的吸收截面，从而研究原子与光的相互作用。
结论：通过对氢氘原子光谱的实验研究，我们深入了解了原子的能级结构和能级跃迁的规律。
同时，我们也发现了氢氘原子与光的相互作用的一些特性。
这些研究成果对于理解原子结构、光谱分析以及相关应用具有重要意义。
总结：光谱实验是一项重要的实验技术，通过观察和分析物质发射、吸收光的特性，可以揭示物质的组成、结构以及性质等信息。
本次实验通过研究氢氘原子的光谱特性，深入了解了原子结构和能级跃迁的规律。
光学多道与氢、氘同位素光谱【摘要】本实验利用光学多道分析仪，以氦（He ）、氖（Ne ）为标准谱，研究了氢（H ）光谱的波长规律，并用光电倍增管对氢、氘谱线进行了分析，测出氢、氘在巴莫尔线系的谱线波长，并求出氢、氘的里德伯常数及电子质子质量比，最后根据实验数据，以波数为单位画出氢、氘的能级图。
【关键词】光学多道 光栅多色仪 氢、氘同位素光谱 电子质子质量比【引言】光谱是不同强度的电磁辐射按照波长的有序排列。
光谱学在物理学科中占有极为重要的地位，在计量学、化学、生物学、医学、地质学等诸多方向也有着广泛的应用。
主要用于材料结构的参数测定、物理性质的诊断以及物质中元素的定性和定量分析。
在光谱学史乃至近代物理学史上，氢光谱的实验和理论研究都占有特别重要的地位。
1885年，瑞士物理学家巴耳末发现了可见光区的氢（H ）光谱谱线波长规律，即巴耳末公式。
这些谱线构成了一个谱线系，即巴耳末系，并用⋯γβαH H H ，，代表巴耳末系的第一条、第二条、第三条……谱线。
1892年，美国物理学家尤雷等发现了氢（H ）的同位素氘（D ）的光谱。
D 的巴耳末系前几条线则用⋯γβαD D D ，，表示。
由于H 原子和D 原子的核外都只有一个电子，故光谱极为相似，但由于它们的原子核质量不同，因而对应的谱线的波长都稍有差别，这种差别被称为“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，用实验结果计算出H 、D 的里德伯常量及质子电子的质量比，并得到H 、D 的能级谱线图。
【实验原理】在量子化的原子体系里，原子能量状态为一系列的分立值，每一个能量状态都称为原子的一个能级，原子的最低能级称为原子的基态，高于基态的称为激发态。
处于高能级的原子总是会自发的跃迁到低能级，并且发射光子，设光子能量为ε，频率为ν，高能级为E 2，低能级为E 1，则有：h E E E E h 1212,-=-==ννε （1） 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，这些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”。
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”。
实验报告实验目的掌握氢氘光谱各谱线系的规律, 即计算氢氘里德伯常数RH, RD 的方法。
2. 掌握获得和测量氢氘光谱的实验方法。
3．学习光栅摄谱仪的运行机理, 并学会正确使用 实验原理1.根据玻尔的原子能级理论以及适当的近似可以得到类氢原子的里德伯常数为:)1(ZeZ m m R R +=∞所以氢和氘的混合气体的谱线相近, 较难区分。
2.由公式)1()1()1(DH H D H H H D H D H R R -=-=-=-=∆λσσλλλλλλλ 可以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RH 、RD 。
3.由公式De He H D m m m m R R /1/1++=得到：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=11H De H H D H D R R m m R R m m将实验测得的 代入上式, 可求得氘与氢原子核的质量比 。
实验内容表1是测Hg 光谱所得的数据数据处理根据氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波数)121()1()4(222320242nm m c h Z e m Zee -+=πεπσ 可知 , 故而双线之中波长较短的是D 的谱线, 较长的是H 谱线。
又由公式⎪⎭⎫⎝⎛-=22121n R H H σ 及⎪⎭⎫⎝⎛-=22121n R D D σ 可得：n=3时, =655.67nm, = ==655.47nm, = =n=4时, =485.97nm, = ==485.83nm, = =n=5时, =434.25nm, = ==434.14nm, = =n=6时, =410.29nm, = ==410.19nm, = =所以，的平均值 = , 标准差 = , A 类不确定度AH U =4H σ=3104278.3⨯。
D R 的平均值-D R =7100975.1⨯标准差 = , A 类不确定度AD U =4D σ=3106968.3⨯。
实验报告赵妍PB05210375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(222320242n m m c h Z e m Zee -+=πεπσ（1）因此类氢原子的里德伯常数可写成：)1(Z e Z m m R R +=∞ch Z e m R e 320242)4(2πεπ=∞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 ， 氢和氘光谱相应的波长差为：)1()1()1(DH H D H H H D H D H R R-=-=-=-=∆λσσλλλλλλλ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 。
进而：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫⎝⎛=11H De H H D H D R R m m R R m m式中eHm m 为氢原子核质量与电子质量比，公认值为1836.1515。
因此将通过实验测得的HD R R 代入式（11），可求得氘与氢原子核的质量比H D m m /。
2、实验方法：实验中，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两极上时，管内的游离电子受到电场作用飞向阳极，并因此获得越来越大的动能。
当它们与管中的氢、氘分子碰撞时，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实验数据及处理：实验数据n D λnm H λnm λ∆=H λ-D λ D σ=1λ1H H σλ=6(10/)m 6 410.22 410.32 0.10 2.437 2.437 5 434.16 434.26 0.10 2.303 2.303 4 485.82 485.96 0.14 2.058 2.058 3 655.50 655.74 0.24 1.526 1.5251、 氢和氘里德泊常量和氢氘核质比的计算7221()(10/)112H H R m n σ=-7221()(10/)112D D R m n σ=-n H RDR3 1.098000 1.0987204 1.097600 1.0976005 1.096667 1.0966676 1.096650 1.096650平均值及比值：000164.109722925.109740925.110*09740925.110*09722925.11717====--HD D H R R m R m R氢氘原子核质量比为：431114.1)1000164.1(*1515.183********.111=--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=H De H H D H D R R m m R R m m其中Hem m 公认值为1836.15152 利用公式)1(DHH R R -=∆λλ 计算m D /m H180207.2052504.324.0*1515.183774.65574.655124334.214.0*1515.183796.48596.485733262.110.0*1515.183726.43426.434810729.110.0*1515.183732.41032.4101114321==-==-==-==-=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==∆-=p p p p p m m R R m m R R m m p R R e H H H H De H H D H D H HH D 根据实验所得数据：λλλλλλ四 思考题1画出氢原子巴耳末线系的能级图，并标出前四条对应的能级跃迁和波长数。
光学多道与氢氘同位素光谱摘 要：本实验利用光学多道分析仪研究氢氘光谱。
首先使用已知波长的氦光谱进行定标测量了氢光谱，并在此基础上测量氢氘同位素光谱，修正获得了氢氘光谱的波长值；利用这些测得值计算出了氢氘的里德伯常量分别为H R =109717.82cm -1，=109747.00 cm -1。
得到了氢氘光谱的各光谱项及巴耳末系跃迁能级图；通过计算得出了电子与质子质量之比为=1881.40,与理论值1836.15的相对误差为2.46%。
关键词：光学多道分析仪，氢、氘同位素光谱，CCD ，光电倍增管1. 引言光谱是不同强度的电磁辐射按照波长的有序排列。
光谱学是研究各种物质的光谱特征，并根据这些特征研究物质结构、物质成分和物质与电磁辐射的相互作用，以及光谱产生和测量方法的科学。
光谱学在物理学各分支学科中都占有重要地位，而且在生物学、考古学等诸多方面有着广泛的应用。
在光谱学史上，氢光谱的实验和理论研究都占有特别重要的地位。
1885年，巴耳末（J.J.Balmer ）发现了可见光区氢光谱线波长的规律。
1892年，尤雷（H.C.Urey ）等发现氢(H)的同位素氘(D)的光谱，氢氘原子对应的谱线波长存在“同位素位移”。
本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研究氢氘光谱，了解其谱线特点， 并学习光学多道仪的使用方法及基本的光谱学技术。
2. 实验原理2.1物理原理在原子体系中，原子的能量状态是量子化的。
用1E 和2E 表示不同能级的能量，ε表示跃迁发出光子的能量，h 表示波尔兹曼常量，ν表示光子的频率，对于原子从低能级到高能级的跃迁我们有：21h E E εν==-，其中21E E hν-= (1)由于原子能级的分立，频率ν也为分立值，在分光仪上表现为一条条分立的“线性光谱”，这些频率由巴耳末公式确定：H 原子：2212111H HR n n λ⎛⎫=- ⎪⎝⎭……………………………………………………（2） 其中1n 和2n 为轨道量子数，H R 为氢原子的里德伯常数。
当1n =2，2n =3，4，5……时，公式（2）对应氢原子巴耳末系。
同理，D 原子：2212111D D R n n λ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ (3)图1 实验装置图图2 光栅多色仪光路图其中1n =2，2n =3，4，5……时对应氘原子巴耳末系，D R 为氘原子的里德伯常数。
氢原子和氘原子巴耳末系对应的波长差为：12211112H DH D R R n λλλ-⎛⎫⎛⎫∆=-=-- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，n =3，4，5......， (4)其中p H p em R R m m ∞=+，22p D p em R R m m ∞=+，R ∞＝109737.31cm -1 (5)由公式（5）可得：1122p eHp e Dm m R m mR ⎛⎫+=⎪ ⎪+⎝⎭ ……………………………………（6） 因此：1112eHDp e Dm R R m m R -=+ (7)有： 12211222ee D D p e p em m R m m n m m λλ-⎡⎤⎛⎫∆=-=⎪⎢⎥++⎝⎭⎣⎦ (8)由于p m >>e m ，所以：2e Dpm m λλ∆≈ (9)测出对应谱线波长及波长差便可通过公式（9）计算出出电子和质子的质量比。
2.2仪器原理光学多道分析仪（Optical Multi-channel Analyzer 简称OMA ），主要由光学多色仪，电荷耦合器件(CCD)或光导摄像管和数据处理系统三大部分组成，是一种采用多通道法检测和显示微弱光信号的光电子仪器。
本实验所用光学多道分析仪由光栅多色仪，CCD 接受单元，电子信号处理单元，A/D 采集单元和计算机组成。
实验装置如图1所示。
2.2.1 光栅多色仪光路图如图2所示，通过入射狭缝S 1的光经平面镜M １反射后，被凹面准光镜M ２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凹面物镜M ３反射，成像在CCD 感光平面所在的焦面S 2上，或由可旋入的平面镜M ４反射到观察窗S 3上。
2.2.2 CCD 光电探测器CCD （电荷耦合器件）可以将光学图像转换为电学“图像”，即电荷量与该处照度大致图3 CCD 工作原理图成正比的电荷包空间分布，因此，它可以“同时”探测到空间分布的光信号。
我们实验所用的是具有2048个像元的线阵列CCD 器件，感光像元将信号光子转变为信号电荷，并实现电荷的存储、转移和读出，其工作原理如图3。
当二极管受光照时，被吸收的光子产生电子-空穴对，其中电子被吸收到电荷反型区，形成电荷的存储。
将按一定规则变化的电压脉冲加到CCD 各相元电极上，电极下的点荷包就能按一定方向移动，发生电荷的转移。
转移到CCD 输出端的信号电荷在输出电路实现电荷-电压（U/A ）线性变换，完成电荷的读出。
2.2.3光电倍增管光电倍增管是一种具有高灵敏度与超快响应时间的光探测元件，一般光电倍增管在其响应范围最佳的近红外光区到紫外光区，可以将只有数百个光子的光讯号转换为有用的脉冲电流，进而利用此脉冲电流来做讯号的分析。
光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的.光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速,聚焦于第一次极.这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子,它们再被聚焦在第二次极.这样，一般经十次以上倍增,放大倍数可达到 108～1010。
最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流；输出电流和入射光子数成正比，而整个过程时间约10-8秒。
3.实验内容3.1实验步骤1、 准备根据公式（2）（3）（5）估算氢和氘光谱巴耳末线系中=3，4，5，6，7几条谱线的波长，并做好开机的准备。
2、 用CCD 光学多道系统测量氢光谱选择光谱仪处于CCD 的工作模式，并进入“WDG-8A-CCD ”软件，等待初始化。
在软件中依次单击“运行”、“实时采集”，使计算机进入光谱采集状态。
将多组灯中的氢灯置于狭缝前，以氢谱巴耳末线系的波长分布作为参考，调节CCD 的中心波长位于某一条谱线附近（参考第1步准备中的估算结果）。
调节氢灯光源的位置，确认能够观察到氢谱线，然后换上标准氦灯。
反复调节CCD 中心波长的位置，使得在同一个摄谱范围内即可观察到待测氢谱线，也可以观察到至少三条氦谱线。
在这一前提下，只测量24,5n 的两条谱线的波长。
波长定标：利用软件对标准氦谱线定标。
测谱：不改变摄谱范围的前提下，重新放上氢灯，通过以定的标测出氢谱线的波长值。
再将中心波长定在另一条氢谱线附近，重复上述测量。
3、 用光电倍增管测量氢氘光谱在CCD的工作方式下放上氢氘灯，调节各参数如光缝宽度，使谱线的强度尽量强并且氢谱线和氘谱线能明显分离，然后退出CCD工作状态。
将工作方式改为光电倍增管，点击“WDG-8A光电倍增管”操作系统，等待系统初始化。
调节光电倍增管的负高压至800V。
选择工作范围在某条氢谱线附近，通过软件扫描观察谱线强度是否合适，氢氘谱线是否分离。
如果不能符合要求则需要重新调节参数。
参数调节完毕后，使仪器的扫描范围为400nm至660nm。
扫描，获得氢氘光谱。
将第2步中测量的氢谱线波长对现在的数据进行修正，测出氢氘光谱线的相应波长。
3.2数据记录1、通过公式（2）（3）对氢和氘光谱线波长进行估算，见表1：首先由公式（5）分别计算出氢、氘原子的里德伯常数R=109677.58cm-1，=109707.44Hcm-1。
表1氢、氘光谱线波长估算（nm）2、用CCD光学多道系统测量氢光谱3、光电倍增管测量数据应用光电倍增管单程扫描可获得氢氘光谱，扩展后可获得某一特定波段的光谱图如下所示：图4.1 氢氘光谱（400nm~660nm）图4.2 氢氘光谱分裂（487nm附近）先根据表2对表3 的测量数据进行修正，如表4所示：表 4光谱测量值修正量λ∆（nm ） =H λ定标-（nm ）根据表4中的修正量λ∆，对表3做整体处理如表5：表5 修正后氢、氘光谱对应波长以上的测量的是空气中的谱线波长，下面通过计算得出在真空中相应的波长值： 若真空中波长为，空气中的波长为，空气的折射率为，则=n (10)空气的折射率由下式决定：1111g n p be n atp at--=∙-++ (11)g n 是标准大气压（0t C ︒=0p p =0e =）下群速度折射率，24351g n A B C λλ=+++ (12)其中72876.0410A -=⨯，7216.28810B m μ-=⨯，740.13610C m μ-=⨯在这里，因为实验是在室温、室压的情况下完成的，所以需要计算n ，但是在室温、室压的情况下我们可以得出g n n ≈，求出g n 可以做近似计算。
表6 H 、D 光谱有关数据计算(m -1)图5此图给出了n 从2一直取值到100的情况下，2H R n的变化图表中波数=1/，（单位为）；)121/(R 22H/D n-=ν，n ＝3、4、5、6；计算的相对误差时参考由公式（5）分别计算H R =109677.58cm -1，=109707.44 cm -1由=109717.82 cm -1，可得H 的巴耳末系对应光谱项：表 7 n ----2H R n根据表7的结果可以作图5如下：可以做出氢氘原子的能级跃迁图如下：表 8.1 图6.1注释=655.781nm=486.265nm =434.092nm=410.206nm表8.2 图6.2注释=655.601nm=486.135nm =433.982nm=410.096nm最后计算质子与电子的质量之比：表9 质子与电子质量之比理论上的p em m 约为1836.15，可见测量值的相对误差为2.46%。
图 1.1氢原子的能级跃迁图 最低的2n =，往上的能级线n 逐渐增大，每次增加1。
其中1，2，3，4表示的内容见表8.1。
图 6.2氘原子的能级跃迁图 最低的2n =，往上的能级线n 逐渐增大，每次增加1。
其中1，2，3，4表示的内容见表8.2。
4.实验结论结论：通过此次实验验证了量子说，得出了氢原子和氘原子的光谱波长，利用这些测得值计算出了氢氘的里德伯常量，得到了氢氘光谱的各光谱项及巴耳末系跃迁能级图，并在此基础上得出了质子和电子的质量之比。
通过实验与理论结果的比较，说明了理论的正确性。
建议：1、实验中需要对实验室的温度，气压和水蒸气压等相关参数测量后才能计算精确的空气折射率，进而能计算真空下的波长。
所以建议在实验室里配备相关仪器。
2、基于光学多道分析仪的内部结构，本实验操作的关键在于外光路的调节，保证狭缝得到均匀的照明对于光谱定量分析非常重要。
但实验时使用的H-D灯方向稍有偏差且不可调节，给实验操作带来很大不便，建议该灯换为方向、仰角易于调节控制型的。
