氢原子光谱的研究.docx

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1、氢原子光谱的研究直至目前，对元素的光谱进行研究仍然是了解原子结构的重要手段之一。通过对原子光谱的研究使得我们了解了原子内部电子的自旋运动。光谱线的超精细结构曾被认为是不同的同位素所发出的谱线，后来又被许多理论和实验如塞曼效应等证实，这些谱线是由单一的同位素由于原子核的自旋而发出的。本实验通过对氢原子光谱的研究，初步认识电子围绕原子核运动时只能处于一系列能量不连续的状态，并获得氢原子结构的知识。一、实验目的1、验证巴尔末公式并测定里德伯（RH；2、了解棱镜摄谱仪的原理及相关实验操作方法。二、实验原理1885年巴尔末（，确定了可见光区域氢光谱的分布规律，指出各谱线的波长可由下式表示：n20

2、n24（1）式中n为正整数3、4、5，。。。。。。0364.56nm（1）式就是巴尔末公式。符合这个公式的一系列氢光谱线系称为巴尔末系。以后又发现了氢原子的其他线系。为了更加清楚地表明谱线分布规律，里德伯把巴尔末公式改用波数表示如下：~11n24）RH（11）（2）v（n222n20RH称为氢光谱的里德伯常数，近代的测量值为RH1.0973731107m1为了解释氢原子光谱的规律性，在这些完全从实验得到的经验公式的基础上，玻尔（Bohr）在卢瑟福原子模型的基础上，把库仑定律、牛顿第二定律以及普朗克量子理论运用于原子系统，建立了氢原子理论，得到氢原子的内部能量为：me4，n1，2，3，（

3、3）E2h802n2（3）式表示氢原子能量的数值是分立的，不连续的。当原子从一个稳定状态跃迁到另一个稳定状态时，发射的单色光谱先的波数为：~me411）mn（4）v（m2n28002h3c比较（2）式和（4）式，玻尔得到理论上的里德伯常数为：RH理论me41.0973731107m1802h3c随着科学技术的不断发展，人们已经知道氢原子光谱有着更为复杂的结构，巴尔末公式1也只能作为一个一级近似的规律。在量子力学建立之后，原子光谱才得到了较完善的解释。本实验仅研究氢光谱的可见光部分。利用摄谱仪把氢光谱和铁光谱并列拍摄，以铁谱线（已知各条谱线的波长）来作为“光谱尺”，并通过阿贝比长仪来对氢

4、谱线进行测量。在具体计算时，可以利用内插法来近似计算出波长值。当谱线分布在很小范围时，可以认为谱线的排列和它们在照相底片上的距离是成正比例展开的，若要测定某一氢谱线的波长x，可以线查出此线邻近的另两条铁谱线的波长1、2，如图1用比长仪测出它们的距离，用公式求出x。21x1d2d1dxd1（dxd1图1氢谱和铁谱图）d1x121d2然后再将各谱线的波长值代入公式（2）中，求得里德伯常数，并计算平均值后，与公认值比较。需要说明的是，铁谱图给出的波长是常温下空气中的波长，而一般给出的RH值都是真空中的值。因空气的折射率为1.00029，因此真空中的波长为Hvac1.00029HairRH的计

5、算只须把所求得的Hvac值和对应的n值代入巴耳末公式中即可算出。3、实验装置（1）棱镜摄谱仪棱镜摄谱仪外形如图2，其基本组成部分有：导轨1，机座2，电极架3，光源聚光镜4，狭缝5，入射光管6，棱镜旋转手轮7，出射光管8，摄影箱9，机罩（内有色散棱镜）10，看谱管11。另有哈得曼光阑，形状如图3，其主要目的是在拍摄谱线时，移动光阑来使氢光谱和铁光谱有个相对的图2棱镜摄谱仪错位，有利于识谱和读谱。（2）交流电弧发生器当打开电源开关后产生高频高压，使两电极间产生放电，点燃电弧。因电极是铁制的，所以电极产生的光谱为铁光谱。图3哈得曼光阑（3）氢光灯用来提供氢原子光谱，但要注意的2是，用调压器调

6、节电压时，电压不可过高。4、实验步骤（1）熟悉摄谱仪和交流电弧发生器各部件的作用；（2）开启电弧发生器，激发纯铁光源（上电极为纯铜，下电极为纯铁），并调节聚光镜4及电极支架3，使光点正射到狭缝5上；（3）将看谱管装于支架8上，观察铁的谱线，并与标准铁谱对照，找到425.0130nm的铁谱线，转动棱镜旋转手轮7，使之处于看谱窗口的中间位置，此时棱镜旋转手轮的刻度值大约在42.0度（参考值）左右，这样，在拍摄时，就可以将可见光区域的谱线全部拍摄到底片上了；（4）关闭电弧发生器，保持电极架以及聚光镜位置不变。当以上步骤调整完毕后，就可以进行光谱的拍摄了，由于氢光灯管与狭缝的相对位置教难调整，

7、故先进行氢光谱的拍摄。（5）打开氢灯，调节变压器到合适位置，移动灯管支架位置，用看谱管观察谱线直至最亮；（6）取下看谱管换上摄影架，装上内有底片的摄影盒，物镜的焦距为13.5，暗盒角度为11.5，板移为45。并调节哈得曼光阑，打开曝光开关进行氢光谱的拍摄（曝光时间约为4分钟）；（7）移走氢光灯，移动哈得曼光阑，使用另一相邻孔，打开曝光开关进行铁光谱的拍摄（曝光时间约为40秒）；（8）到暗室冲洗底片，用比长仪测定巴尔末系各波长，计算里德伯常数，并