氢、氘光谱实验报告材料.doc

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1、实验一（A）氢、氘光谱实验【目的要求】1．测定氢原子与氘原子的巴耳末系发射光谱的波长和氢原子与氘原子的里德伯常数；2．了解WGD－8A型组合式多功能光栅光谱仪的原理和使用方法。【仪器用具】氢氘灯、WGD－8A型组合式多功能光栅光谱仪【原理】光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。常用的光谱有吸收光谱、发射光谱、和散射光谱，波段从X射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过用光栅光谱仪测量氢原子与氘原子在可见波段的发射光谱，了解光谱与微观结构（能级）间的联系和掌握光谱测量的基本方法。1．氢原子光谱图1是氢原子的能级图，

2、根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：（n=1，2，3…）（1）图1氢原子的能级图式中称为约化质量，为电子质量，为原子核质量，氢原子的等于1836.15。电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差，（m>n）（2）如以波数表示，则上式为（3）式中为氢原子的里德伯常数，单位是，称为光谱项，它与能级是对应的。从可得氢原子各能级的能量（4）式中h=4.13567×10-15eV·s，c=2.99792×108m·s-1从图1中可知，从至跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律（m=3，4，5…）（5）这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系。氢原子的莱曼系位

3、于紫外，其他线系均位于红外。图2氢氘光谱图3氢氘光谱巴耳尔末线系的线具有相同质子数，不同中子数（或不同质量数）同一元素的不同核素互为同位素。氢原子核只有1个质子没有中子，氘D（又叫重氢）是氢的同位素，它的原子核由一个质子和一个中子组成。氘与氢具有相同的能级结构，因而光谱结构也相同，氢原子光谱的每一组谱线都是两条波长非常接近的谱线，一条是氢原子的谱线，一条是氘原子的谱线。氢原子和氘原子的巴耳末线系的头几条谱线的波长为：线线线线波长H：656.2486.13434.047410.174D：656.1486.01433.928410.0622．仪器组成：WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪

4、，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，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，由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。其工作原理如图4所示。光电信号前置放大器放大的光电信号增益控制信号系统控制信号光谱数字信号/变换/变换步进电机控制信号负高压控制信号负高压电源步进电机驱动电源负高压2131电子计算机步进电机驱动脉冲图4光谱仪的工作原理光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时，出射光通过狭缝S2到达光电倍增管。用CCD做探测器时，转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S3到达CCD，CCD可以同时探测某一个光谱围的光谱

5、信号。光信号经过倍增管（或CCD）变为电信号后，首先经过前置放大器放大，再经过A/D变换，将模拟量转变成数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件根据需要设置。前置放大器的增益现为1，2，…，7七个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高压也分为1，2，…，7七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可以在10ms-40s之间任意改变。扫描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦机构。）中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入一组

6、电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。【实验步骤】1．连接光栅光谱仪电源与计算机USB接口连线；2．打开光栅光谱仪电源开关，打开氢氘灯电源开关，氢氘灯对准WGD-8A型光栅光谱仪的物镜狭缝（狭缝宽度取50），光栅光谱仪上光电倍增管狭缝取10；3．运行WGD-8A倍增管系统软件，系统进行检索；4．设置系统参数：工作方式：模式――能量间隔――0.1nm工作围：起始波长：400nm终止波长：660nm最大值：1000最小值：0工作状态：负高压：800V（手动调节光栅光谱仪电源上负高压调节旋钮至8

7、00V，此时软件调节不起作用，负高压越高，倍增管越灵敏）增益：3采集次数：205．数据扫描：单击“单程”选项，仪器开始扫描，计算机显示出氢原子和氘原子的可见光区域的巴尔末线系谱线，打印该光谱线图；6．分别定量测量氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线（系统参数的选择参考表1）：将测量结果填入表1，并打印氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线图。表1：氢原子和氘原子的巴耳末线系谱线波长原子谱线标准值（nm）选择参数测量结果（nm）工作方式工作围工作状态采集次数模式间隔(nm