1-1 氢(氘)原子光谱

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1、专题实验1光谱的测量与分析1.1氢（氘）原子光谱原子光谱是建立量子理论的实验基础。1885年，巴尔末（J.J.Balmer）根据已有的观测结果，提出氢光谱线的经验公式。波尔（N.Bohr）1913年2月看到这一公式，3月6日就建立了氢原子理论；海森堡（W.Heisenberg）在1925年提出量子力学理论也是基于原子光谱的实验成就；光谱的精细结构使人们认识到核外电子的运动状态除了存在主能级量子化以外，还有亚能级量子化。1932年，尤里（H.C.Urey）将3liter液态氢在低压下缓慢蒸发至1ml后，注入放电管，拍摄其巴尔末线系光谱，发现在普通氢（氕）每条谱线的短波侧

2、都出现一条弱的伴线，从而证实了氘的存在。这是原子核质量差异导致里德伯常数发生变化的结果，称为同位素移位。对于重核，同位素移位并不明显，但是中子数不同会引起核自旋发生改变，光谱结构还是会复杂化，这就是所谓的超精细结构。今天，原子光谱仍然是研究原子结构的重要方法。一、实验目的（1）了解光栅光谱仪等常见光谱分析仪器的原理和使用方法；（2）通过测量巴尔末线系的谱线波长，计算氘的里德伯常数。二、实验原理原子虽然是元素的最小单元，但还具有复杂的核式内部结构，核外是绕核运动的电子。α粒子散射实验肯定了原子的核式结构，而对核外结构的认识则是从光谱研究开始的。光谱记录了电磁辐射随波长变

3、化的强度分布，是研究原子结构的重要手段。通过测量原子发光光谱中各谱线的波长，可以推算出原子的能级结构，从而得到有关原子微观结构的信息。光谱主要指发射光谱或吸收光谱。发射光谱是由发光体直接产生的光谱，例如，由炽热的固体、液体和高压气体发光形成的连续光谱和由稀薄气体或者金属蒸汽发光形成的明线光谱都属于发射光谱。吸收光谱则是连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。吸收光谱中的每条暗线都与物质的特征谱线相对应。在所有的元素中，氢的原子结构最简单，从氢原子明线光谱理解原子的核外结构也最直观。氢原子光谱对原子物理学的早期发展做出了特殊的贡献。到1885年，从星体的光谱中共观

4、察到14条氢原子的谱线，瑞士数学教师巴尔末发现这些谱线的波长λ可以纳入一个统一的公式（n=3，4，5，…），（1.1.1）B为常数。这14条谱线称为巴尔末线系。为了更清楚地表明谱线分布规律，瑞典物理学家里德伯将巴尔末公式改写成如下形式（n=m+1，m+2，m+3，…）（1.1.2）式中为波数，RH称为氢的里德伯常数。对每一个整数m，所有的n形成一个线系。对于巴尔末线系，m=2。随后发现的赖曼线系（m=1）、帕刑线系（m=3）以及其他线系都符合里德伯公式。丹麦科学家波尔受巴尔末公式以及普朗克量子学说的启发，以卢瑟福的有核原子模型为基础，建立了氢原子理论。根据波尔理论，原

5、子的能级是量子化的，即具有能级。每条发射光谱线都是原子中的电子从一个较高的能级跃迁到另一个较低的能级而释放能量的结果。经过推导，对巴尔末系有，n=3，4，5，…（1.1.3）式中e为电子电荷，h为普朗克常数，c为光速，m为电子质量，M为氢原子核质量，ε0为真空介电常数。将（1.1.3）与（1.1.2）式比较，可得里德伯常数为（1.1.4）其中R∞代表将原子核的质量视为无穷大（即假定核固定不动）时的里德伯常数。同理，根据巴尔末公式，对氢的同位素氘有，n=3，4，5，…（1.1.5）测量元素及其同位素的里德伯常数，是对元素及其同位素的光谱进行分析的重要环节。用光谱仪测量出

6、谱线的波长，识别出各自的n，就可以计算出里德伯常数。氢、氘原子光谱巴尔末线系的波长及里德伯常数公认值见表1.1.1。表1.1.1氢和氘巴尔末线系原子光谱的波长及里德伯常数同位素氢氘λ（nm）656.280486.133434.047410.174397.007656.100485.999433.928410.062396.899RH(D)（×105cm-1）1.09677581.0970742R∞（×105cm-1）1.0973731三、实验装置本实验使用WDS-8A型组合式多功能光栅光谱仪系统测量光谱，用氘灯作为光源，用光学平台进行减震。光谱仪采用反射式闪耀光栅作为

7、分光元件，如图1.1.1所示，相邻刻槽间的距离d称为光栅常数。考虑从相邻刻槽的相应点上反射的光线，QQ′的长度为d，入射光线PQ和P′Q′的入射角为i（与光栅法线的夹角），衍射光线QR和Q′R′的衍射角为i′。PQR和P′Q′R′这两条光线的光程差为d(sini+sini′)。当光程差满足光栅方程，k=±1,±2,…（1.1.6）时，光强为极大。对同一级（同一k）亮条纹，根据i和i′就可以确定衍射光的波长。闪耀光栅将同一波长的衍射光集中到某一特定的级i上，增强了衍射光强度。为提高闪耀光栅的分辨本领，即增大不同波长入射光的衍射角度的差值，需要减小光栅常