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用光学多道分析器研究氢原子光谱

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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HHHH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 OPTICAL

MULTICHANNEL ANALYZER

Abstract: By using the OMA, this article will measure out the wavelength of

HHHH in the Balmer spectrum, and work out the Rydberg constant of hydrogen

atom by using the wavelength above.

Keywords: Optical Multichannel Analyzer, Hydrogen atom spectrum, Balmer

spectrum,

Rydberg constant

1. 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，me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RH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RH可得氢原子各能级的能量

式中-1584.1356710,2.9979210-1h=eVsmsc

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线波长为656.28nm，H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。第一次测量HHH三条线，第二次单独测量H线。第一次测量使用汞灯的546.07nm（绿光）、435.84nm（蓝光）、404.66nm（紫光）三条谱线作为标准谱线手动定标；第二次用汞灯的546.07nm（绿光）、576.96nm（黄光）、579.07nm（黄光）及三条紫外光的二级光谱线312.567×2=625.13nm、313.17×2=626.34nm、334.17×2=668.34nm来定标。

3. 实验步骤：

1) 将多色仪起始波长调到390nm，入射狭缝1S宽度调为约0.1mm，调节时注意不要将狭缝调得过窄以致难以将狭缝分开。

2) 以笔形汞灯作为光源，调节L、S与多色仪共轴，并令光源S成大像于入射狭缝处。此时在多色仪的观察屏上可观察到清晰明亮的水银谱线。

3) 转动4M使光谱照到CCD上，在软件界面上观察谱线图像，若谱线无明显峰值，则应继续调节L、S与多色仪相对位置直至出现明显峰值，调节入射狭缝，使谱线变锐，设置合适的曝光时间、平均次数、累加次数、最大最小值，截图获得清晰尖锐的光谱图。 4) 选择线性定标，用汞灯的三条标准光谱线手动定标，使横坐标表示波长（nm）。

第一次定标（线性定标）

5) 改用氢灯，转动4M，使谱线成像在观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强度最强

氢光灯HHH三条线对应图中1，2，3号谱线

6) 转动4M使光谱照到CCD上，将中心波长设定为460nm在软件界面上观察谱线图像，若谱线无明显峰值，则应继续调节L、S与多色仪相对位置直至出现明显峰值，在定标后的图上使用寻峰功能找到HHH三条线对应波长记录下

7) 将多色仪起始波长设定为650nm，选择二次定标，用汞灯的三条标准谱线和紫外光的三条二级谱线手动定标，使横坐标表示波长（nm）。

第二次定标（二次定标）

8) 改用氢灯，转动4M，使谱线成像在观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强度最强

图中即为H谱线对应波长

9) 转动4M使光谱照到CCD上，在软件界面上观察谱线图像，若谱线无明显峰值，则应继续调节L、S与多色仪相对位置直至出现明显峰值，在定标后的图上使用寻峰功能找到H谱线对应波长记录

4. 实验数据记录如下

H H H H

m 3 4 5

6

/nm 656.70 485.91 436.22 408.90

1/m 6152310. 6205810. 6229210. 6244610.

2114m 0.139 0.188 0.210 0.222

以为纵坐标2114m为横坐标经过Origin拟合后

0.150.180.211.52.02.5BA B Linear Fit of B

可见斜率即为里德伯常量7HR=1.10214710相对误差为0.435％

参考文献：周殿清主编.2009.基础物理实验 北京.科学出版社

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最终版北航基础物理研究性实验报告-氢原子光谱

最终版北航基础物理研究性实验报告-氢原子光谱

基础物理实验研究性实验报告

氢原子光谱和里德伯常数的测定

——定量误差分析和实验改进

第一作者：

学号：

第二作者：

学号：

第三作者：

学号：

2013年5月20日 氢原子光谱和里德伯常数测量研究性实验报告

1

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、仪器介绍和实验内容并测量处理了数据，计算了不确定度及误差，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，最后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

氢原子光谱和里德伯常数测量研究性实验报告

2

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. At last we

实验31-原子发射光谱观测分析(实验报告)

实验31-原子发射光谱观测分析(实验报告)

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--完整版学习资料分享---- 实验31（A）原子发射光谱观测分析

【实验目的】

1． 学会使用光学多通道分析器的方法

2． 通过对钠原子光谱的研究了解碱金属原子光谱的一般规律

3． 加深对碱金属原子中外层电子与原子核相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解

【实验仪器】

光学多通道分析器、光学平台、汞灯、钠灯、计算机

【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了一个价电子外，还有内封闭壳层的电子，这些内封壳层电子与原子核构成原子实。价电子是在原子核和内部电子共同组成的力场中运动。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。特别是当价电子轨道贯穿原子实时（称贯穿轨道），这种差别就更为突出。因此，碱金属原子光谱线公式为：

222*12*211~llnRnRnnR

其中~为光谱线的波数；R为里德堡常数。

n与n分别为始态和终态的主量子数*2n与*1n分别为始态和终态的有效量子数

l与l分别为该量子数决定之能级的轨道量子数

l与l分别为始态和终态的量子缺（也称量子改正数，量子亏损）

根据就的波尔理论，在电子轨道愈接近原子中心的地方，的数值愈大。当轨道是贯穿轨道实，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Zeff有很大程度的改变。在非常靠近原子核的地方，全部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effZ。因此s项的值最大，而对p项来说就小一些，对于d来说还更小，由此类推。因而量子缺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

对于钠原子光谱分如下四个线系

主线系：snp3~

锐线系：pns3~

漫线系：pnd3~

实验用：氢、钠原子光谱实验

实验用：氢、钠原子光谱实验

1 实验一 氢、氘、钠原子光谱

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。原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年末，巴尔末（J.J.Balmer）根据人们的观测数据，总结出了氢光谱线的经验公式。1913年2月，玻尔（N.Bohr）得知巴尔末公式后，3月6日就寄出了氢原子理论的第一篇文章，他说：“我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就清楚了。”1925年，海森伯（W.Heisenberg）提出的量子力学理论，更是建筑在原子光谱的测量基础之上的。现在，原子光谱的观测研究，仍然是研究原子结构的重要方法之一。

20世纪初，人们根据实验预测氢有同位素，1912年发明质谱仪后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家由各种化合物测得为1.00799。基于上述微小的差异，伯奇（Birge）和门泽尔（Menzel）认为氢也有同位素2H（元素左上角标代表原子量），它的质量约为1H的2倍，据此他们算得1H和2H在自然界中的含量比大约为4000：1，由于里德伯（J.R.Rydberg）常量和原子核的质量有关，2H的光谱相对于1H的应该会有位移。1932年，尤雷（H.C.Urey）将3L液氢在低压下细心蒸发至1毫升以提高2H的含量，然后将那1mL注入放电管中，用它拍得的光谱，果然出现了相对于1H移位了的2H的光谱，从而发现了重氢，取名为氘，化学符号用D表示。由此可见，对样品的考究，实验的细心，测量的精确，于科学进步非常重要。

一、【实验目的】

本实验通过氢氘光谱的测量、氘氢质量比的测定，加深对氢光谱规律和同位素位移的认识，并理解精确测量的重要意义。通过对钠原子光谱的观察与分析，加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解。学会使用光谱仪测量未知元素的光谱。

二、【实验仪器】

1．WGD—8A型组合式多功能光栅光谱仪

氢原子光谱实验

氢原子光谱实验

氢原子光谱实验

大

学

物

理

实

验

作者

高

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理

学

院

实

验

中

心引言氢原子光谱的谱线排列简单而且存在着规律性，它的线状谱线直接传达出了原子内部的信息，反映了原子能级结构。研究氢原子的光谱，不但为波尔理论的建立提供了坚实的实验基础，并且对于量子力学的发展也起到了相当重要的作用由于氢的里德伯常数测量，可以比一般的物理常数达到更高的精度，成为测量基本物理常数的依据，所以至今有许多科学家仍在用最先进的激光光谱学的方法对其进行测量和研究。不断的减小了测量结果的不确定度，增加了结果的有效位数。传统的光谱分析，需要摄谱、暗室冲洗、测谱等阶段，实验周期较长。组合式多功能光谱仪汲取了计算机和CCD技术，一改传统摄谱仪用感光胶片的记录方法，使得光谱既可以在计算机屏幕上显示，又可以打印成谱图进行保存，大大缩短了实验的周期，增大了实验的精确程度。

目录

一、实验目的

二、实验原理

三、实验仪器设备的介绍

四、实验内容

五、实验的步骤

六、实验的数据处理一、实验的目的：1.测量氢原子光谱中巴尔末线系的几条谱线的波长，并将在空气中的波长修正为真空中的波长。2.测量计算各谱线的里德伯常数RH ，并求其平均值或用线性拟和的方法求出RH 。3.学习多功能组合光谱仪的使用。二、实验原理

1.氢原子光谱的实验现象

光谱仪观察某些星体的光谱或分析氢放电管的光谱，在可

见光的区域内得到巴耳末系,内有四条最亮的谱线，分别

称为Hα、Hβ、Hγ、Hδ。

谱线HαHβHγHδ

波长（nm）656.279486.133434.046410.173

颜色红深绿青紫

δλ（nm）0.1810.1360.1210.116HH

H

H

H2.巴耳末用经验公式

1885年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前四条可见光谱：

,5,4,3,nm

256.364

222

n

nn422



nn

Bλ,5,4,3n

B=364.56 为一经验常数.3.里德伯公式:里德伯将此式改写成用波数表示的形式.