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实验31（A ）原子发射光谱观测分析【实验目的】1． 学会利用光学多通道分析器的方式2． 通过对钠原子光谱的研究了解碱金属原子光谱的一样规律3． 加深对碱金属原子中外层电子与原子核彼此作用和自旋与轨道运动彼此作用的了解【实验仪器】光学多通道分析器、光学平台、汞灯、钠灯、运算机【原理概述】钠属碱金属原子类，碱金属原子和氢原子一样，都只有一个价电子。
但在碱金属原子中除一个价电子外，还有内封锁壳层的电子，这些内封壳层电子与原子核组成原子实。
价电子是在原子核和内部电子一起组成的力场中运动。
原子实作用于价电子的电场与点电荷的电场有显著的不同。
专门是当价电子轨道贯穿原子实时（称贯穿轨道），这种不同就更为突出。
因此，碱金属原子光谱线公式为：()()222*12*211~l l n R n R n n R μμν--'-'=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=' 其中ν~为光谱线的波数；R 为里德堡常数。
n '与n 别离为始态和终态的主量子数*2n 与*1n 别离为始态和终态的有效量子数 l '与l 别离为该量子数决定之能级的轨道量子数l ''μ与l μ别离为始态和终态的量子缺（也称量子更正数，量子亏损）依照就的波尔理论，在电子轨道愈接近原子中心的地址，μ的数值愈大。
当轨道是贯穿轨道实，μ得数值还要大些。
因为这时作用在电子上的原子核的有效电荷Z eff 有专门大程度的改变。
在超级靠近原子核的地址，全数核电荷作用在电子上。
而距离很远的，原子核被周围电子屏蔽，以致有效核电荷1→eff Z 。
因此s 项的μ值最大，而对p 项来讲就小一些，关于d 来讲还更小，由此类推。
因此量子缺μ的大小直接反映原子实作用于价电子的电场与点电荷近似偏离的大小关于钠原子光谱分如下四个线系主线系：s np 3~→=ν锐线系：p ns 3~→=ν漫线系：p nd 3~→=ν基线系：d nf 3~→=ν关于某一线系谱线的波数公式可写为：()2~l nT n R A μν--= 其中 为常数，称为固定项。
![[实验报告]用光学多道分析器研究氢原子光谱](https://img.taocdn.com/s1/m/e44c54d5d15abe23482f4ddc.png)
用光学多道分析器研究氢原子光谱摘要：使用光学多道分析器测定氢原子巴尔末系中,,H H H αβγ的波长，并利用所测的波长拟合计算出氢原子的里德伯常量。
关键词：光学多道分析器，氢原子光谱，巴尔末系，里德伯常量THE STUDY OF HYDROGEN ATOMIC SPECTRUM WITHOPTICAL MULTICHANNEL ANALYZERAbstract ：By using theoptical multichannel analyzer (OMA), this article will measure out the wavelength of ,,H H H αβγ in the Balmer series of hydrogen atomic spectrum, and work out the Rydberg constant of hydrogen atom by using the wavelength above.Keywords ：OMA, hydrogen atomicspectrum, Balmer series, Rydberg constant1 引言根据玻尔(N.Bore)氢原子理论，氢原子的能级公式为：()()432021,1,2,3...8e E n n h nμε=-⋅= 电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差，即 m n h E E ν=-，得到氢原子跃迁时波长与能级关系式为：()()22111H T n T m R n m λ⎛⎫=-=⋅- ⎪⎝⎭式中H R 称为氢原子的里德伯常数，单位是1m -，()T n 称为光谱项，它与能级()E n 是对应的．可得氢原子各能级的能量()21H E n R ch n =-⋅式中-1584.1356710, 2.9979210-1h=eV s m s c ⨯⋅=⨯⋅从能级图可知，从3≥m 至2n =的跃迁．光子波长位于可见光区．其光谱符合规律()22111,3,4,5 (2)H R m m λ⎛⎫=⋅-= ⎪⎝⎭ 这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，氢原子光谱的该线系被称为巴耳末系．当m 分别取3,4,5,6时，对应谱线即,,H H H αβγ和H δ四条线，根据22111~2m λ⎛⎫- ⎪⎝⎭图像斜率可得里德伯常数值。
使用光学多道测量光谱实验预习报告摘要:利用光学多道分析系统，在已知光谱的情况下，分析可见光区的Hg的特征谱线，采用Hg 的404nm和579nm进行线性定标，然后得到道数与波长的转换关系。
然后利用所得到的道数与波长的转换关系，通过纳光的光谱来测量纳光的波长。
在此基础上，通过实验了解光栅光谱仪的组成及工作原理，掌握光栅光谱仪分析光谱的方法。
关键词：光学多道光谱道数特征谱线引言：光学多道光谱仪是采用电子技术和光学技术相结合的方法研制成功的, 较传统的光谱仪在技术上有很大的改进且应用方便。
一般的光谱仪都是用棱镜或光栅等其它光学元件组成, 在光谱的焦平面上开一道狭逢让某一波长的光通过并用能量计测量其能量, 每次只能测量单个波长的光, 应用很不方便且准确度不高。
光学多道光谱仪较一般的单色仪优越得多, 每次能测量很多非连续或连续波段的光谱且能准确地读出各光谱的波长值和相对强度值;测量的光谱带宽可以从真空紫外到远红外。
CCD 具有尺寸小、重量轻、功耗小、线性好、噪声低、动态范围大、光谱响应范围宽、寿命长、实时传输和自扫描等一系列优点,使得它的应用越来越广泛。
由CCD、光栅光谱仪和微机数据采集系统组成的测量系统具有对光谱信息快速采样、存储、传输和数据处理等功能,从而使光谱的测量数字化,在光谱测量领域的应用将会越来越广泛。
正文光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金和考古等部门。
常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。
涉及的波段从x射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段。
本实验通过测量发光二极管发射光谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法。
光学多通道分析器是集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体的精密仪器，能够更为精确的进行光谱测量。
它的结构和工作原理较为复杂，但由于使用了计算机技术而使得操作过程非常方便。
本实验通过对汞灯定标和测量发光二极管的光谱从而达到了解光学多通道分析器的工作原理，理解光谱测量与分析的重要性，并掌握操作方法的目的。
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。
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。
使用光学多道测量光谱
物理082 08180221 骆志超
摘要：利用光学多道分析系统，在已知光谱的情况下，分析可见光区的Hg 的特征谱线，采用Hg 的404nm 和579nm 进行线性定标，然后得到道数与波长的转换关系。
然后利用所得到的道数与波长的转换关系，通过纳光的光谱来测量纳光的波长。
在此基础上，通过实验了解光栅光谱仪的组成及工作原理，掌握光栅光谱仪分析光谱的方法。
关键词：光学多道、光谱、定标、道数、特征谱线
正文：
引言：光谱学是光学的一个分支学科，主要研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用。
各种光由于产生条件的不同，它们的光谱都具有各自的特征。
通过对光谱的研究人们可以得到：原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面的信息。
传统的光谱测量技术由于受到光谱分辨率、灵敏度、时间、分析速度的限制，已经不适应科学技术的发展和应用的需要。
20世纪60年代激光科学技术特别是可调谐激光技术的发展，新型光谱探测元件及探测技术的发展，光电二极管自校准技术和微弱光谱信息的接收技术和处理技术以及微处理机的应用，使光谱测量技术的发展产生了一个革命性的变化，进入了一个新的发展时期。
传统的摄谱仪、光电分光光度计等光谱仪已逐渐被光学多道分析仪OMA 所取代。
光学多通道分析仪原理为平行光束入射到平面光栅G （光栅平面的方位可由精密机 调节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：
sin ,0,1,2d k k θλ==±±
式中d 是光栅常数，λ是入射光波长，k 是衍射级次，θ为衍射角。
由光栅方程可知，当光栅常数d 一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。
每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、很锐的亮线。
由dsin θ=kλ可知，级次间距对应cos ,/(cos )d d θθλθλθ∆=∆=，当角度θ较小的时，角度间隔∆θ最小，当角度θ增加时，角度间隔∆θ增加。
所以光谱排列并非按角度θ线性分布。
当角度θ较小时可以简化为线性，即可采用线性定标，更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3次、或4次定标，在本实验中，我们采用线性定标。
定标：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下，采集已知谱线，然后对已知谱线定标，随即将横坐标由CCD 的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，可直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。
定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长（或中心波长）。
在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。
定标也是有误差的。
定标使用谱线位置的远近，以及采用的是几次定标，都会影响到数据的准确性。
一、光学多通道分析器（OMA ）
图1是利用现代电子技术接收和处理某一波长范围（λ1～λ2）内光谱信息的光学多通道
图1光学多通道检测系统的基本框图
入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成λ1～λ2的谱带。
位于出射窗口处的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A/D 变换后存贮并显示在计算机上。
OMA 的优点是所有的像元（N 个）同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道光谱系统检测同一段光谱的总时间快N 倍。
在摄取一段光谱的过程中不需要光谱仪进行机械扫描，不存在由于机械系统引起的波长不重复的误差；减少了光源强度不稳定引起的谱线相对强度误差；可测量光谱变化的动态过程。
图2是多色仪及光源部分的光路。
光源S 经透镜L 成像于多色仪的入射狭缝S 1，入射光经
平面反射镜M 1转向90°，经球面镜M 2反射后成为平行光射向光栅G 。
衍射光经球面镜M 3和M 4成像于观察屏P 。
由于各波长光的衍射角不同，在P 处形成以某一波长λ0为中心的一条光谱带，
使用者可在P 上直观地观察到光谱特征。
转动光栅G 可改变中心波长，整条谱带也随之移动。
多色仪上有显示中心波长λ0的波长计。
转开平面镜M 4可使M 3直接成像于光电探测器CCD 上，
它测量的谱段与观察屏P 上看到的完全一致。
图2 多色仪及光源部分的光路图
图3是CCD 结构图。
CCD 是电荷耦合器件（Charge-Coupled Device ） 的简称，是一种以电荷量表示光强大小，用耦合方式传输电荷量的器件，它具有自扫描、光谱范围宽、动 态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优点。
将CCD 一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获得整个光谱。
目前，二维面阵CCD 已大量用于摄像机和数字照相机。
CCD 的衬底是P 型Si ，硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容。
如果金属电极置于高电位，在金属界面积累了一层正电荷，P 型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂质离子，形成一耗尽
层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何贡献。
在耗尽区内或附近，由于光子的作用产生电子-空穴对，电子被吸引到半导体与SiO
2
绝缘体的界面形成电荷包，这些电子是可以传导的。
电荷包中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比，很多排列整齐的CCD 像元组成一维或二维CCD阵列，曝光后一帧光强分布图将成为一帧电荷分布图。
我们采用的是具有2048个像元的CCD一维线阵，其光谱响应范围为200~1000nm，响应峰值在550nm，动态范围大于210。
每个像元的尺寸在14μm×14μm，像元中心距为14μm，像敏区总长为
28.672mm。
多色仪中M
2，M
3
的焦距302mm，光栅常数为1/600mm，在可见光区的线色散Δλ/
Δl（光谱面上单位宽度对应的波长范围）约为5.55nm/mm，由此可知CCD一次测量的光谱范围为5.55×28.67约为159nm。
光谱分辨率即两个像元之间波长相差约0.077nm。
在OMA 中每个像元称为一“道”，本实验的系统是2048道OMA。
每次采样（曝光）后每个像元内的电荷在时钟脉冲的控制下顺序输出，经放大，模数（A/D）转换，将电荷即光强顺序存入采集系统（微机）的寄存器，经微机处理后，在显示器上就可看到我们熟悉的光谱图。
移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所处的道数和相对光强值。
图3 CCD 结构图
入射光线经过处理转化为平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射；衍射后的平行光束经凹面反射镜M3反射后形成光谱，转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。
转开平面M4可使M3直接成像于光电探测器CCD接收位置上，它测量的谱段与观察窗口处观察到的完全一致。
光谱出现在观察窗，还是出现在光电探测器取决于转换开关的状态：当转换开关位于“CCD档”时，由CCD传感器采集光谱信息；当转换开关位于“观察档”时，衍射光束照射到观察窗口处，可用肉眼直接进行观察。
CCD传感器是WGD-8/8A型型光学多通道分析器数据采集部分的核心，也是整个系统的关键所在，它的作用是将衍射光谱转换成电信号。
利用CCD可以同时采集一定波长范围内光谱中各个波长点的数据，若同时将其输出的电脉冲信号经数-模（A／D）变换后串行输入计算机，可由计算机对光谱信息进行采集、分析和处理。
参考文献：
[1]近代物理实验讲义.[J] 浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室.2009年9月9日
[2]张天喆、董有尔.近代物理实验.[J]科技出版社.2004年1月。
