实验三 氢原子光谱的研究

《实验三 氢原子光谱的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、实验三氢原子光谱的研究引言氢原子的结构最简单，它的线光谱明显地具有规律，早就为人们所注意。各种原子光谱的规律性的研究正式首先在氢原子上得到突破的，氢原子又是一种典型的最适合于进行理论与实验比较的原子。本世纪上半世纪中对氢原子光谱的种种研究在量子论的发展中多次起过重要作用。1913年玻尔建立了半经典的氢原子理论，成功地解释了包括巴耳末线系在内的氢光谱的规律。事实上氢的每一谱线都不是一条单独的线，换言之，都具有精细结构，不过用普通的光谱仪器难以分析，因而被当作单独一条而已。这一事实意味氢原子的每一能级都具有精细结构。1916

2、年索末菲考虑到氢原子中原子电子在椭圆轨道上近日点的速度已经接近光速，他根据相对论力学修正了玻尔的理论，得到了氢原子能级精细结构的精确公式。但这仍是一个半经典理论的结果。1925年薛定谔建立了波动力学（即量子力学中的薛定谔方程），重新解释了玻尔理论所得到的氢原子能级。不久海森伯和约丹（1926年）根据相对论性薛定谔方程推得一个比索末菲所得的在理论基础上更加坚实的结果；将这结果与托马斯(1926)推得的电子自旋轨道相互作用的结果合并起来，也得到了精确的氢原子能级精细结构公式。尽管如此，根据该公式所得巴耳末系第一条的（理论）精

3、细结构与不断发展着的精密测量中所得实验结果相比，仍有约百分之几的微小差异。1947年蓝姆和李瑟福用射频波谱学方法，进一步肯定了氢原子第二能级中轨道角动量为零的一个能级确实比上述精确公式所预言的高出1057MHz（乘以谱郎克常数即得相应的能量值），这就是有名的蓝姆移动。直到1949年，利用量子电动力学理论将电子与电磁场的相互作用考虑在内，这一事实才得到了解释，成为量子电动力学的一项重要实验根据。实验目的1、学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。2、通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴耳末公式的正确性，从而对玻尔理论

4、的实验基础有具体了解。力求准确测定氢的里德伯常数，对近代测量所达到的精度有一初步了解。实验原理光谱线波长是由产生这种光谱的原子能级结构所决定的。每一种元素都有自己特定的光谱，所以称它为原子的标识光谱。光谱实验是研究探索原子内部电子的分布及运动情况的一个重要手段。J.J.Balmer(巴尔末,1825-1898)发现，在可见光区氢原子谱线可以由下面公式确定：（3-1）其中n是大于2的整数，26是实验常数，称为里德伯(Rydberg)常数。由上式确定的氢谱线为巴尔末线系，当＝3，4，5，6时，所得的谱线分别标记为、、、。以这

5、些经验公式为基础，N.Bohr(玻尔,1885-1962)建立了氢原子的理论(玻尔模型)，并从而解释了气体放电时的发光过程。根据玻尔理论：当原子从高能量的能级跃迁到低能量的能级时，以光子的形式释放能量。根据玻尔理论，每条谱线对应于原子从一个能级跃迁到另一个能级所发射的光子。按照这个模型得到巴耳末线系的理论公式为（3-2）式中为真空中介点常数，h为谱郎克常数，c为光速，e为电子电荷，m为电子质量，M为氢核的质量。这样，不仅给予巴耳末的经验公式以物理解释，而且里德伯常数和许多基本物理常数联系起来了。即（3-3）其中R∞为将核

6、的质量视为∞（即假定核固定不动）时的里德伯常数（3-4）比较式（3-1）和（3-2），可以看出它们在形式上是一样的。因此，（3-2）式和实验结果的符合程度，成为检验玻尔理论正确性的重要依据之一。实验表明（3-2）式与实验数据的符合程度是相当高的。当然，就其对理论发展的作用来讲，验证公式（3-2）在目前的科学研究不再是个问题。但是，由于里德伯常数的测定比起一般的基本物理常数来可以达到更高的精度，因而，成为调准基本物理常数值的重要依据之一，占有跟重要的地位。目前的公认为：设M为质子的质量，则m/M=（5446170.13+0

7、.11）*10-10代入式（3-4）中可得：RH=(10967758.306+0.013)m-1实验仪器实验中需要的仪器为：拍谱用的摄谱仪（见附录A），寻找和辨认谱线的映谱仪和铁谱图（见附录B），测量谱线距离用的比长仪（及附录C）氢谱光源和作为铁谱光源的电弧发生器。这里就氢谱光源作一说明。在充有纯净氢气的放电管的两端，加适当的电压，氢原子受到加速电子的碰撞被激发，从而产生辐射。这样的过程即所谓辉光放电。辉光放电发出的光就可以作为氢光谱光源。我们所用氢放电管中的氢是由下述方法获得的。在放电管的支管中装有氢氧化钠（如图3-1

8、所示），氢氧化钠所吸收的水随时可以蒸发：以保持放电管中有一定压强的水蒸气。通电后，水蒸气离解为氧和氢，氧被铜电极吸收，于是，放电管中只留下氢。使用这种放电管时切勿倒置，以防氢氧化钠将支管口堵死。氢放电管的电源暂以“激光电源”代替。为了保护电源，放电电流不要太大，一般不要超过8mA。26（a）图3-1氢放电管图3-2氢