用光学多道分析器研究氢原子光谱

近代物理实验思考题答案【篇一：近代物理实验练习题参考答案】txt>一、填空1.核物理实验探测的主要对象是核衰变时所辐射的度非常小，用最先进的电子显微镜也不能观察到，只能根据射线与物质相互作用产生的各种效应实现探测。

2.用百分比表示的能量分辨率定义为： r?最大计数值一半处的全宽度?v?100％。

能量分辨率值峰位置的脉冲幅度v0越小，分辨能力越强。

3.?有三种，它们是光电效应、康普顿效应和电子对效应。

4.对于不同的原子，原子核的质量不同而使得里德伯常量值发生变化。

5.汞的546.1nm谱线的塞曼分裂是反常塞曼效应。

6.由于氢与氘的能级有相同的规律性，故氢和氘的巴耳末公式的形式相同。

7.在塞曼效应实验中，观察纵向效应时放置1/4波片的目的是将圆偏振光变为线偏振光。

8.射线探测器主要分“径迹型”和“信号型”如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、火花室等。

这些探测器大多用于高能核物理实验。

信号型探测器则当一个辐射粒子到达时给出一个信号。

根据工作原理的不同又可以分成气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种，这是我们在低能核物理实验中最常用的探测器。

9.测定氢、氘谱线波长时，是把氢、氘光谱与铁光谱拍摄到同一光谱底片上，利用线性插值法来进行测量。

10.在强磁场中，光谱的分裂是由于能级的分裂引起的。

11.原子光谱是线状光谱。

12.原子的不同能级的总角动量量子数j不同，分裂的子能级的数量也不同。

13.盖革－弥勒计数管按其所充猝灭气体的性质，可以分为①有机管和②卤素管两大类。

坪特性是评价盖革－弥勒计数管的重要特性指标。

包括起始电压、坪长、坪斜等。

一只好的计数管，其坪长不能过短，对于③有机管，其坪长不能低于150伏，对于④卤素管，其坪长不能低于50伏。

坪斜应在⑤0.1----0.01%每伏___以下。

计数管工作时工作点应选在坪区的⑥左1/3-1/2__处。

14.由于光栅摄谱仪的色散接近线性，所以可以使用线性插值法测量光谱线波长。

实验三氢原子光谱的研究引言氢原子的结构最简单，它的线光谱明显地具有规律，早就为人们所注意。

各种原子光谱的规律性的研究正式首先在氢原子上得到突破的，氢原子又是一种典型的最适合于进行理论与实验比较的原子。

本世纪上半世纪中对氢原子光谱的种种研究在量子论的发展中多次起过重要作用。

1913年玻尔建立了半经典的氢原子理论，成功地解释了包括巴耳末线系在内的氢光谱的规律。

事实上氢的每一谱线都不是一条单独的线，换言之，都具有精细结构，不过用普通的光谱仪器难以分析，因而被当作单独一条而已。

这一事实意味氢原子的每一能级都具有精细结构。

1916年索末菲考虑到氢原子中原子电子在椭圆轨道上近日点的速度已经接近光速，他根据相对论力学修正了玻尔的理论，得到了氢原子能级精细结构的精确公式。

但这仍是一个半经典理论的结果。

1925年薛定谔建立了波动力学<即量子力学中的薛定谔方程），重新解释了玻尔理论所得到的氢原子能级。

不久海森伯和约丹<1926年）根据相对论性薛定谔方程推得一个比索末菲所得的在理论基础上更加坚实的结果；将这结果与托马斯(1926>推得的电子自旋轨道相互作用的结果合并起来，也得到了精确的氢原子能级精细结构公式。

尽管如此，根据该公式所得巴耳末系第一条的<理论）精细结构与不断发展着的精密测量中所得实验结果相比，仍有约百分之几的微小差异。

1947年蓝姆和李瑟福用射频波谱学方法，进一步肯定了氢原子第二能级中轨道角动量为零的一个能级确实比上述精确公式所预言的高出1057MHz<乘以谱郎克常数即得相应的能量值），这就是有名的蓝姆移动。

直到1949年，利用量子电动力学理论将电子与电磁场的相互作用考虑在内，这一事实才得到了解释，成为量子电动力学的一项重要实验根据。

实验目的1、学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。

2、通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴耳末公式的正确性，从而对玻尔理论的实验基础有具体了解。

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目录摘要： (1)关键字 (1)目录 (2)一．实验目的 (3)二．实验原理 (3)1.光栅衍射及其衍射 (3)2.光栅的色散本领与色分辨本领 (4)3.氢原子光谱 (5)4．测量结果的加权平均 (6)三．实验仪器 (7)四．实验内容 (7)五．实验数据及处理 (7)1.光栅常数测量 (8)2.氢原子光谱测里德波尔常数 (9)3.色散率和色分辨本领 (11)六．误差的定量分析 (11)1.人眼的分辨本领 (12)2.计算不确定度和相对误差： (12)七．实验方案的创新设想 (12)1.实验思路及理论验证 (12)2.实验光路 (13)3.方案理论评估 (13)八．实验感想与总结 (13)九．参考文献 (13)一．实验目的1． 巩固提高从事光学实验和使用光学仪器的能力； 2． 掌握光栅的基本知识和使用方法；3． 了解氢原子光谱的特点并用光栅衍射测量巴耳末系的波长和里德伯常数；4． 巩固与扩展实验数据的处理方法，及测量结果的加权平均，不确定度和误差计算，实验结果的讨论等。

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。

光学多通道分析器的应用【摘要】光学多通道是一个能够同时对多个检测通道完成光电转换，实现光谱并行检测的探测器。

光学多通道利用现代的光电技术——CCD来实现对光谱的接收、测量和处理。

本实验通过光学多通道分析器测量了未知光谱（黄光，红光，蓝光等）的波长范围。

【关键词】光学多通道，CCD，光谱【正文】一、实验目的1、了解光学多通道分析器的结构原理；2、学习光学仪器的校正方法；3、掌握用光学多通道分析器测量未知光谱的方法。

二、实验仪器WGD—6型光学多通道分析器，由光栅单色仪，CCD接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元及计算机组成。

该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，是当代光学测量仪器的典型代表。

光学系统采用C—T型，如图2-1所示入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围o—2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝s1、s1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上。

M2、M3 焦距302．5mm光栅G 每毫米刻线600条闪耀波长550nm 二块滤光片工作区间 白片350—600nm ，红片600—900nm 仪器的整体结构如图3-2所示三、基本知识 1、光谱光谱是将复色光(白光)经过色散系统分光后的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。

光谱中人眼可见波长范围内的电磁辐射称作可见光。

发射光谱有两种类型：连续光谱和明线光谱。

2、色散复色光(白光）分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。

色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。

3、平面衍射光栅一种由密集﹑等间距平行刻线构成的光学器件。

分透射和反射两大类。

它利用多缝衍射和干涉作用﹐将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散﹐再经成像镜聚焦而形成光谱。

光谱仪常用的是反射光栅﹐而且是反射闪耀光栅。

4、光栅方程3,2,1,0)sin (sin ±±±==±j j d λϕθd是光栅常数，λ是入射光波长，j是衍射级次，φ是入射角；θ是衍射角，当入射线与衍射线在法线同侧时取“＋”；异侧时取“－”。

用光学多道分析器研究氢原子光谱俞维民（物理科学与技术学院物理学基地班学号：2008301020001）摘要：使用光学多道分析器测定氢原子巴尔末系中HαHβHγHδ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 WITH OPTICALMULTICHANNEL ANALYZERAbstract:By using the OMA, this article will measure out the wavelength ofHαHβHγHδin the Balmer spectrum, and work out the Rydberg constant of hydrogenatom by using the wavelength above.Keywords: Optical Multichannel Analyzer, Hydrogen atom spectrum, Balmer spectrum, Rydberg constant1.引言：下图为氢原子的能级图．根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：（34-1）式中称为约化质量，m e为电子质量，M为原子核质量．氢原子的等于1836.15。

电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量hν为两能级间的能量差如以波数表示，则上式为式中R H 称为氢原子的里德伯常数，单位是m -1，T(n)称为光谱项，它与能级E(n)是对应的．从R H 可得氢原子各能级的能量式中-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．其光谱符合规律这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系．2. 实验原理：由于H α线波长为656.28nm ，H δ波长为410.17nm ，波长间隔246nm 超过CCD 一帧159nm 范围，无法在同屏中观察到，故需分两次观察测量。

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。

用光学多通道分析器进行光谱定性分析每种物质都有其独特的分子和原子结构、运动状态和相应的能级分布，物质运动状态变化时会形成该物质所特有的分子光谱或原子光谱，称特征光谱线。

通过光谱观测获取物质内、外信息，就是光谱分析。

根据光谱形成的机理，光谱分析可分为发射光谱分析、吸收光谱分析、散射光谱分析、荧光光谱分析等几大类；从分析目的来看，可分为光谱定性分析、光谱半定量分析和光谱定量分析。

本实验仅进行光谱定性分析。

预习要求调研单色仪的分光原理，了解闪耀光栅的结构和应用，设计方案利用氢光谱测量里德堡常数。

调研CCD的结构和工作原理。

实验仪器WGD—6型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。

该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。

光学系统采用C-T型，如图1所示。

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上。

M2、M3 焦距302.5mm光栅G 每毫米刻线600条闪耀波长550nmS2 CCD接收单元 S3观察窗M4 转镜转动M4可实现S2和S3之间的转换实验原理1．单色仪简介单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中，或从连续光谱中分离出“单色光”的仪器。

所谓“单色光”是指相对于光源的光谱形成而言，其波长范围极狭窄、以致可以认为只是单一波长的光。

世界各国生产了种种不同类型的单色仪，为了结构设计和使用方便，极大多数单色仪都采用恒偏向系统，因而仪器的入射狭缝和出射狭缝都可安装在固定不变的位置，只要旋转色散棱镜、光栅或自准直反射镜即可实现波长调节，从出射狭缝射出不同波长的单色装束。

单色仪的基本性能指标（1）工作波长范围工作波长范围表明单色仪输出的、能满足工作要求的单色光束所能覆盖的波长范围。

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”。

近代物理实验报告[光学多道与氢、氘同位素光谱]学号：[201311141925]学生姓名：[张静]指导教师：[王海燕]实验时间：[2015年9月25日]摘要：本实验利用光学多道分析仪，以氦（He ）、氖（Ne ）为标准谱进行定标测量了氢光谱，并在此基础上用光电倍增管对氢、氘谱线进行分析，测出氢、氘在巴耳末线系的谱线波长，求出了氢、氘的里德伯常量分别为R H =109657.218cm -1，R D =109625.62cm -1，根据实验数据，画出了氢的巴耳末系跃迁能级图，最后通过计算得出电子与质子质量之比为m e /m p =0.000549,与理论值0.000545的相对误差为0.734%。

关键词：光学多道仪、CCD 光电探测器、光电倍增管、光栅多色仪、氢氘光谱一、引言光谱学是一门主要涉及物理学及化学的重要交叉学科，通过光谱来研究电磁波与物质之间的相互作用。

光谱是一类借助光栅、棱镜、傅里叶变换等分光手段将一束电磁辐射的某项性质解析成此辐射的各个组成波长对此性质的贡献的图表。

从19世纪中叶起实验光谱学一直是光谱学研究的重要课题之一。

氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家A.J.埃斯特朗探测出来的（光波波长的单位即以他的姓氏命名，1埃等于10-8厘米）。

此后的20年中，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。

1885年，从事天文测量的瑞士科学家J.J.巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子谱线的位置。

此后便把这一组线称为巴耳末系。

1889年，瑞典光谱学家J.R.里德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，它们都能满足巴尔末公式。

其中R 的值对于所有元素的线系都几乎相同，称为里德伯常数。

1892年，尤雷（H.C.Urey ）等发现氢(H)同位素——氘(D)的光谱。

氢氘原子核外都只有一个电子，光谱极为相似，但由于原子核质量不同，故其对应谱线波长稍有差别，即存在“同位素位移”。