物理仿真实验氢氘光谱拍摄实验报告范本
一、实验目的
1.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。
二、实验仪器及其使用方法
WPS-1自动控制箱,光源:铁电极。电弧发生器,光源:氢氘放电管。中间光阑,哈德曼光阑,摄谱窗口。
平面光栅摄谱仪是以平面衍射光栅作为色散元件的光谱仪器。它的光学系统用Ebert-Fastie装置(垂直对称式装置), 其光学系统如图2所示。由光源B(铁电极、氢氘放电管)发射的光,经过消色差的三透镜照明系统L均匀照明狭缝S, 再经反射镜P折向球面反射镜M下方的准光镜O1上,经O1反射,以平行光束射到光栅G上,经光栅衍射后, 不同方向的单色光束射到球面反射镜的中央窗口暗箱物镜O2处, 最后按波长排列聚焦于感光板F上,旋转光栅G,改变光栅的入射角,便可改变拍摄谱线的波段范围和光谱级次。 这种装置的入射狭缝S和光谱感光板是垂直平面内对称于光栅G放置的,由于光路结构的对称性, 彗差和像散可以矫正到理想的程度,使得在较长谱面范围内,谱线清晰、均匀。 同时由于使用球面镜M同时作为准直物镜和摄谱物镜,因此不产生色差,且谱面平直。 使用摄谱仪做光谱实验时必须注意以下事项:
(1)摄谱仪为精密仪器,使用时要注意爱护。尤其是狭缝,非经教师允许,不可以随意调节各旋钮,手柄均应轻调慢调,旋到头时不能再继续用力,不要触及仪器的各光学表面;
(2)燃电弧时,注意操作安全。电弧利用高频高压,点燃后不要用手触及仪器外壳;更换电极时要切断高压电,用绝缘性能好的钳子或手套来更换;电弧有强紫外线辐射,使用时要戴防护眼镜;
(3)铁弧电极上不能有氧化物,应经常磨光,呈圆锥形;调节两电极头之间的距离,注意电极头成像不要进入中间光阑。
三、实验原理
巴尔末总结出来的可见光区氢光谱的规律为:
(n = 3,4,5 ……)
式中的B=364.56nm。此规律可改写为:
式中的为波数,为氢的里德伯常数(109 678cm)。
根据玻尔理论或量子力学中的相关理论,可得出对氢及类氢离子的光谱规律为:
其中,和为整数,z为该元素的核电荷数,相应元素的里德伯常数为:
其中,m和e为电子的质量和电荷,c是真空中的光速,h为普朗克常数,M为原子核的质量。显然,随元素的不同R应略有不同,但当认为M→∞时,便可得到里德伯常量为:
这与玻尔原子理论(即电子绕不动的核运动)所推出的R值完全一样。现在公认的
的值为:10973731m,这与理论值完全符合。有了这样精密测定的里德伯常量,又可以反过来计算还没有测定的某些元素的里德伯常数。即:
比如应用到氢和氘为:
可见,氢和氘的里德伯常数是有差别的,其结果就是氘的谱线相对于氢的谱线会有微小的位移,叫同位素位移。和是能够直接精确测量的量,测出它们,也就可以计算出氢和氘的里德伯常数。同时还可以计算出氢和氘的原子核质量比。
式中是已知量。注意:波长应为真空中的波长,同一光波,在不同介质中波长是不同的,唯有频率及对应光子的能量是不变的,我们的测量往往是在空气中进行的,所以为精确得到结果时应将空气中的波长转换为真空中的波长。
四、测量内容及数据处理
测量内容
1.拍摄氢氘和铁的光谱。按实验要求,拟好摄谱程序表格,调好光路后,按程序用哈特曼光栏的相应光孔,分别拍下氢氘和铁的光谱。
2.显示谱片。取下底片盒,到暗室进行显影,定影、水洗等处理得到谱片。
3.观察和测量氢氘光谱线的波长。在光谱投影仪上观察谱片上的光谱,区分铁光谱和氢氘光谱,基于在很小的波长范围内可以认为线色散是个常数。如下图所示.用线性内插法就可以算出待测的谱线的波长。在映谱仪上用直尺进行粗测,在阿贝比长仪上进行精确测量计算出氢氘谱线的波长。
4.数据处理。计算出氢氘的里德伯常数,确定其不确定度,给出实验结果表达式。
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