光学多道与氢氘光谱实验报告

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1、光学多道与氢氘光谱学摘要：本实验利用光学多道分析仪，使用己知波长的氦光谱进行定标测量了3光谱，并在此基础上测量氢氘同位素光谱，获得了氢氘光谱的波长值；利用这些测得值计算出Y氢氘的里德伯常量分别为仏=109673.12cm"1和=109702.66cm'得到了氢氘光谱的各光谱项；除此之外，还通过计算得出了电子与质子质量之比为=0.000539,与理论值0.000545符合得很好。关键词：光学多道仪、CCD光电探测器、光电倍增管、氢氘光谱1.引言光谱学在物理学各分支学科中都占有重要地位，而且在生物学、考古学等诸多方面

2、有着广泛的应用。而在光谱学史上，氢光谱的实验和理论研究都A有特别重要的地位。1885年，巴耳末(J.J.Balmer)发现了可见光区氢光谱线波长的规律。1892年，尤雷(H.C.Urey)等发现絚(H)同位素一一氘(D)的光谱。絚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”。本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研宂氢氘光谱，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。2.实验原理在原子体系中，原子的能量状态是量子化的，每一个能

3、量状态称原子的一个能级。能量最低的状态称为原子的基态，《于基态的其余各能级称为原子的激发态。处于《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2＞，高能级为£2,低能为，则e=hv=E2-E^v=—~—(1)h而由于原子能级的分立，所以当原子由高能级向低能级跃迁吋，会发出•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“线性光谱”。这些频率由巴耳末公式确定。对H原子有：(2)式中R„是//原子的里德伯常量。ini=2,M2=3,4,5…时，光谱大部分位于可见光区，对应线系为巴尔末系，

4、即=R[i_L_±)，/?=3,4,5(3)与H类似，RhRd2-n.，n=3,4,5...(5)D的巴耳末系的公式力:——zz—3,4,5...I式中人为£＞原子的里德伯常量。由（3）（4）两式，可以得到付、D的波长差为:由上式可以看出，H、O的光谱之间的差别就在于它们的里徳伯常量不同。宄其原因，这是因为二者的原子核结构不同。//核是质子，D核则由•一个质子和一个屮子构成的。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：Rh=R^，Ump2mp+me(6)式中，Rw=109737.3lcm"表示原

5、子核质无穷大时的里德伯常fi，=1.6726485x10—27知为质子和屮子的质量，％=9.1093826x1（广”岵为电子质量。由（4）（6）式可得到//、D的波长差公式:r11(ii){rhr.)U-n~)2mp(8)S：：入射狭缝，S，：CCD感光平面.S，：观察密，Mu平面反射镜,Ms：准光镜，Ms:物镜，此：可旋转平曲镜，G:衍射光栅淘2多色仪光路图2,〜%考虑到电子质量比忽略的中子质量还要小1个量级，（7）式可近似为在实验中，可测出对应的好、£＞谱线波长，即可求出波长差△/!,由公式（8）即可得出电子

6、和质子的质量比。3.实验装置实验所用仪器为光学多道分析仪（OpticalMulti-channelAnalyzer简称0MA），主要由光学多色仪，电荷耦合器件（CCD）或光导摄像管和数据处理系统三大部分组成。3.1仪器结构本实验所用光学多道分析仪巾光栅多色仪，CCD接受单元，电子信号处理单元，A/D采集单元和计算机组成。实验装置如图丨所示：3.2光栅多色仪在像平面处有系列狭缝或矩形开门，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2所示是光栅多色仪的光路图。通过入射狭缝通过

7、入射狭缝Si的光经平面镜I反射后，被凹面准光镜M2反射为平行光投射到光栅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Ms反射，成像在CCD感光平面所在的焦面S2上，或由可旋入的平面镜M4反射到观察窗S3上。3.3CCD光电探测器计算机CCD（电荷耦合器件）可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。图3CCD工作原理感光像元将信号光子转变为信号电荷，并实

8、现电荷的存储、转移和读出。其工作原理如图3。CCD灵敏度受光二极管电荷最小可测变化的限制，并受热暗电流所造成的靶表面漏电的影响，还受放大器噪声的影响。OMA的分辨率主要决定于多色仪，如分光元件光栅的刻线条数，以及多色仪光程的长度，但也受CCD的限制，故其分辨率一般在0.01〜0.lnni范围内。一次摄谱范围为22nni。3.4光电倍增管光电倍增管是一种具有高灵敏度与超快响