近代物理实验——氢原子光谱
一、 实验简介
光谱线系的规律与原子结构有内在的联系,因此,原子光谱是研究原子结构的一种重要方法.1885年巴尔末总结了人们对氢光谱的测量结果,发现了氢光谱的规律,提出了著名的巴尔末公式,氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础.1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律,对重氢赖曼线系进行摄谱分析,发现氢的同位素——氘的存在.通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一,成为检验原理论可靠性的标准和测量其它基本物理常数的依据.
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。
Johannes Rober Rydberg Johann Jakob Balmer 1825 ～1898 1854～1919
瑞士数学兼物理学家 瑞典物理学家、数学家，光谱学的奠基人之一
二、 实验目的
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。
三、实验原理
在量子化的原子体系中，原子能量状态E1 ,E2 …为一系列分立的值，原子
的每一个能量状态称为原子的一个能级。原子的最低能级称为原子的基态，高于基态的其余各能级称为原子的激发态。处于高能级的原子，总是会自发跃迁到低能级，并发射出光子。设光子能量为
? ，频率为?，高能级为E2，低能极为
E1，则
??h??E2?E1,??E2?E1. h由于原子能级是分立的，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
子，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”。波长?的倒数是波数，它的值由巴耳末公式决定。对于H原子有
1?H?11??RH??n2?n2??, （2-1-1）
?12? 式中RH为H原子的里德伯常量，RH=1.096776?107m-1。
当n1=1，n2 =2，3，4…时，所对应的线系为赖曼系，位于紫外光区；当n1=2，n2 =3，
4，5…时，为巴耳末系，大部分在可见光区；n1=3，4，5…等其他线系均在红外区。
图2-1-1 氢原子的核外电子跃迁和产生的谱系图
可见区 紫外光区
6563A
4861A
4341A 4102A
3646A
四、 实验仪器
WGD-8/8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅多色仪，CCD接收单元，电
子信号处理单元， A/D采集单元和计算机组成。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
图2-1-2 实验装置图
光电倍增管接收器 CCD接收系统 入射狭缝
1
6 2 图2-1-2 WGD-8/8A 3 多功能光栅光谱仪外形图4 5
10
9
8 7
图2-1-3 WGD-8/8A 多功能光栅光谱仪电箱正视图
1 负高压调节 2 负高压指示 3 USB口电源指示 4 工作指示
5 通讯指示 6 电源开关 7 USB讯号线 8 CCD电缆线9 单色仪电缆线 10 光电倍增管电缆线
图2-1-4 多色仪光路图
S1-入射狭缝 S2-CCD感光平面 S3-观察窗 M1-平面反射镜 M2-准光镜 M3-物镜 M4-可旋转平面镜 G-平面衍射光栅
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，光源发出的光束通过入射狭缝S1，经平面镜M1反射后，被凹面镜M2反射为平行光束投向平面光栅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M3反射，成像在CCD感光平面所在的焦面S2上，还可以由可旋入的平面镜M4反射到观察窗S3或出射狭缝上。
五、 实验内容
（1） 用He灯谱线作为一支波长测量的定标。 （2） 观测并记录氢光谱。 2.数据处理
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
计算时，应该用氢谱线在真空中的波长，而实验是在空气中进行的应将空气中的波长转换成真空中的波长。即λ真空＝λ空气＋Δλ 波长（nm） 颜色 δλ（nm） 656.279 红 0.181 486.133 深绿 0.136 434.046 青 0.121 410.173 紫 0.116 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。
近代物理实验-氢原子光谱
