资源描述：
《光学多道实验报告》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、光学多道【摘要】本次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，学习光学多道分析仪的使用方法及基本的光谱学技术。本次实验首先利用CCD进行测景，利用氦的光谱作为标准对H光谱进行标定。之后利用光电倍增管进行扫频，观察H、D谱线分裂。利川所得谱线数据计算电子与质子质量比。关键词：H光谱、D光谱、CCD、光电倍增管一、引言光谱学在众多物理学科中占有极为重要的地位、在其他学科中也有重要应用。光谱学史乃至近代物理学史上，氢光谱的实验和理论研宂都占有特别重要的地位。1885年瑞士物理学家巴耳末就发现了可见光区H光谱波长的规律，即巴耳末公式，这些谱线构成的谱线系称为
2、巴耳末系。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。但由于原子核质S不同，H、D对应的谱线的波长稍有差别，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，学习光学多道分析仪的使用方法及基本的光谱学技术。二、实验原理1.原子能级及巴耳末系在量子化的原子体系中，原子能量状态尽，£2......为一系列分立的值，每一个能量状态称原子的•-个能级。能量最低的状态称力原子的基态，高于基态的其余各能级称力原子的激发态。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V，高能级为£2,低能为g，则
3、£=hv=E,-E}（公式1）足』1（公式2）_h丄由于原子能级是分立的，所以当原子巾高能级叫低能级跃迁时，会发fli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谱线，称为“线性光谱”或“原子光谱”。这些频率由巴耳末公式确定。对H原子有（公式3）式中是H原子的里徳伯常量。当~=1,n2=2,3,4,......时，所对应的线系为赖曼系，位于紫外光区;当11
4、=2，n2=2,3,4,......吋，所对应的线系为巴珲末系，大部分位于可见光区;当1^=3,4,5......时，处于其他线系，都在红外光区。2、D原子的谱线与H类似，同位素D的巴耳末谱线系的公式为2（公式4）H
5、和D的巴耳末系对应谱线的波忪差为:A/l=-ADRd1122n2n=3,4,5（公式5）由上式可以看出，H、D的光谱之间的差别就在于它们的里德们常量不同。这是因力二者的原子核结构不同。H核是质子，D核则由一个质子和一个中子构成的。忽略质子与中子的质量的微小差别，则二者的里德伯常量可写为：（公式6）mp+me2mp+me式巾，Roo=i09737.31cm-l,表示原子核质量无穷大时的里德伯常量，mp=1.6726485X10-27kg，为质子和中子的质量，me=9.1093826X10-31kg为电子质量。由二同位素原子的里德伯常呈之比可得=2(2mp+me（公式7）因而有:（
6、公式8）J1=me1RhRd2mp+mcRn得到（公式9）电子的静止质量为9.109534xl（T31kg,比质子质量的两倍小约4个数量级，比忽略的中字质量还要小约1个数量级，因此，公式9中右侧分母中的电子质量完企可以忽略，1+1此讨得（公式10）从实验测得对应谱线的波长2和波长差A/l,即可由公式10得出电子和质子的质镒比。三、实验内容实验仪器：光学多道分析仪光学多道分析仪，主要巾光学多色仪，电荷耦合器件或光导摄像管、及带有专用微处理器俎成的数据处理系统三部分组成，OMA是一种采用多通道方法检测和显示微弱光谱信号的光电子仪器，具有高灵敏度、高效率、瞬时宽光谱探测范围和时间分辨
7、等优点。20世纪90年代以来，CCD技术走向民用，得到了极为迅速的发展，茌光谱学中的应用越来越普遍。本实验所用光学多道分析仪由光栅多色仪，CCD接受节元，电子信号处理单元，A/D采集单元和计算机组成。1.光栅多色仪Sis入射扶链，SkCCDft光平■，么魔廉窗，MuT面反射饞，U:U,：物快，认:可旋M平圓婕.。《乎BI衍射光栃图1多色仪光路图在像平面处有系列狭缝或矩形开口，可同吋通过多个单色光的仪器叫做多色仪。利用光栅作为分光元件的多色仪成为光栅多色仪.图1所示是光栅多色仪的光路图。通过入射狭缝通过入射狭缝S1的光经平而镜M1反射后，被凹面准光镜M2反射为平行光投射到光栅G上
8、。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，再经凹谢物镜M3反射，成像在CCD感光平面所在的焦IfifS2上，或由可旋入的平面镜M4反射到观察窗S3上。2.CCD光电探测器—*CCD■■■»AD采集h—计算机丄明动器<—图2CCD工作原理CCD（电荷耦合器件）讨以将光学图像转换为电学“图像”，即电荷量与该处照度大致成正比的电荷包空间分布，因此，它可以“同时”探测到空间分布的光信号。我们实验所用的是具有2048个像元的线阵列CCD器件。感光像元将信号光子转变为信号电荷，并实现电荷的
