实验原理
1、 氢、氘原子光谱
(1) 氢原子光谱的规律
氢光谱由许多谱线组成，其中巴耳末线系的规律可表示为
)121(122n
R H -=λ (1.1) 式中，λ为谱线波长，H R 为氢的里德伯常数，n=3,4,5,……
巴耳末线系是本实验拍摄和研究的对象．对应于n =3，4，5，…的谱线分别称H α，H β，H γ……它们的波长间隔、谱线强度都随n 的增大而有规律地减小．
(2) 氢、氘原子光谱的异同
设氢核质量为M H ，同位素氘核质量为M D ．它们的里德伯常数R H 和R D 分别为
m
M M R R H H H +=∞ (1.2) m
M M R R D D D +=∞ 其中，m 为电子质量，R ∞是认为原子核质量无限大时的里德伯常数．以λH 和λD 代表对应于同一n 值的氢和氘谱线的波长，则巴耳末系可表示为
)121(1
22n R H H
-=λ )121(
122n R D D -=λ (1.3) 由于M D ≠M H ，由式(1.2)知R D ≠R H ，则式由(1.3)可知，对同一n 值，λD ≠λH ．可见，氢、氘原子光谱既有如式(1.3)所示的相同规律，对同一n 值，波长λH 和λD 又有差异．只是其差值一般都小于0.2nm ．所以在谱片上氢、氘谱线总是靠得很近．
(3) 关于M D /M H ,由式（1.2）知
)
/()/(m M M m M M R R H H D D H D ++= 从中解得
m
M R R R R M M H H D H D H D /)1/(1/--= （1.4） 由式(1.3)知，R D /R H ＝λH /λD ，故式(1.4)可化为
m
M M M H H D H D H D /)1/(1/--=λλλλ （1.5） 取M H /m ＝1836，对每一对氢氘谱线测得λH 和λD ，由式(1.5)即可求得M D /M H ．
2 测算波长
波长无法直接测量，需要寻找一个与波长有关又能直接测量的量． (1) 光栅光谱的特点 光栅摄谱仪的色散率d λ/d l 几近常数．两谱线波长差和距离成正比．这一特点将谱线的波长和谱线的坐标联系在一起．谱线在谱片上的坐标正是一个与波长有关又能直接测量的量．由谱线坐标即可推算其波长．
(2) 线性内插法
图1.1为光栅摄谱仪拍得的三条谱线．其中左右两条的波长λ1，λ2为已知，且λ2>λ1，中间谱线的波长λ待求．
若能测定三条谱线的坐标x 1、x 和x 2，根据光栅光谱的特点应有
11121
2x x x x --=--λλλλ
从中解出
)(1121
21x x x x ---+=λλλλ （1.6）
由式(1.6)知：在谱片上，对任何一条未知波长的谱线，只要在其周围找到两条波长λ1和λ2已知的谱线，并测定三者的坐标x 1，x 和x 2即可推算出未知波长λ．实验中，常将铁谱和待测谱线上下并排拍在一张谱片上，每条铁谱的波长都可由特制的光谱图查得．
应用式(1.6)的条件是波长λ和坐标x 有线性关系．若二者只在很小的范围内接近线性关系，如棱镜摄谱仪拍得的谱片，则在｜x 2-x 1｜较小的条件下也可应用．此时应在待测谱线两侧适当小的范围内选取已知波长的谱线．这就是在光谱实验中经常用以计算波长的“线性内插法”．
实 验 装 置
平面光栅摄谱仪,交流电弧发生器,氢氘灯,铁电极,阿贝比长计,光谱投影仪和光谱图．
(1) 光路原理
一般平面光栅摄谱仪的光路如图1.2所示．图中,M 1，M 2是同一大凹球面反射镜的下、上两个不同框形部分．光源A 发出的光，经三透镜照明系统L 1,L 2,L 3后均匀照亮狭缝S ，通过S 的光经小平面反射镜N 反射转向π/2后射向M 1，因S 由N 所成的虚像正好处在M 1的焦面上，所以狭逢上一点S 发出的光经M 1反射后成了微微向上射出的平行光，并正好射到N 后上方的平面反射光栅G 上．G 把入射光向M 2方向衍射．M 2把来自不同刻纹的同一波长的平行衍射光会聚成一点S λ’， S λ’正好落在照相胶版B 上．G 相邻刻纹的衍射光传播到S λ’的程差δ＝d (sin i +sin θ)
，图 1.1
式中d是光栅常数，I,θ分别是入射光、衍射光相对于G的法线的夹角，sinθ取+号是因为θ，i在法线的同侧．显然，Sλ’要是个亮点，必须δ＝kλ，于是得光栅方程d(sin i+sinθ)＝kλ，式中λ是光波波长，k=0¸±1, ±2,…叫衍射级．除０外，对同一k，因i相同而λ不同则θ将不同，也就是不同波长的像点Sλ＇将落在B的左右不同位置，成为一个单色像Sλ＇．狭缝S是连续的点的集合，所以Sλ＇是一条亮线．对同一k，A发出的所有波长所形成的所有单色像构成A的光谱，用胶版B就可以把它们拍摄下来．
图 1.2
（2）中心波长和光栅转角的关系．
Sλ＇落在B中心线附近的波长λB叫中心波长．显然，这时θ＝i，对1级谱，光栅方程变为２d sin I＝λ0，所以中心波长λ0和i有—一对应关系．光栅安装在一个金属齿盘上，盘底的轴插在机座的轴套上，盘边有一蜗杆和齿轮啮合，蜗杆用一连杆和机壳外的手柄联结；转动手柄就可以转动光栅，并在手柄边上可以读出光栅转角i．仪器色散能力较大，一次摄谱B只能容下相差约100nm的波长范围，所以拍摄不同波段的光谱时，必须把光栅转到相应的i角位置．（3）谱级分离．
设B上某点δ=600nm，对λ1=600nm的光波，k=1，得到了加强；对λ2=300nm 的光波，k=2，也得到了加强．这样在B上δ=600nm处出现的谱线，就无法确定它是λ1还是λ2，这叫谱级重叠．但λ2是紫外光，它不能透过玻璃，在狭缝前放一无色玻璃作为滤色片，所有紫外光便都到不了B，从而简单地实现了1级可见光谱和2级紫外光谱的分离，滤色后在δ=600nm处出现的谱线一定是λ1．（4）拍摄比较光谱的操作原则．
谱线是狭缝的单色像．让12mm高的狭缝全部露出来被光照亮，可得到12mm 高的一系列谱线；让上端6mm露出，就得到上端6mm高的谱；让下端6mm露出，就得到下端6 mm高的谱．设想用Na（钠）黄光照亮S，先让上端6 mm露出摄谱后，保持胶版B和光栅转角i都不动，再换为下端 6 mm摄谱．这样摄得的4条谱线，一定是后二条在前二条的延长线上，因为它们只是同一狭缝上、下二段成像先后不同而已．Na黄双线的波长大家都很熟悉，由此我们推想：把
先摄下的二条谱线看成波长未知的被测谱线，后二条看成“波长标尺”上波长已知的二条刻度线，显然测得的结果非常准确．由此得出操作原则：拍摄互相比较的两列光谱时，不能移动胶版，不能转动色散元件，只能在换光源后换用狭缝的相邻部位摄谱．换用狭缝的不同部位很简单，狭缝前有一金属薄圆盘，叫哈特曼光栏盘，盘上不同位置开了不同高度的方孔，转动盘子让狭缝在所需的孔中露出就行了．“波长标尺”也现成，Fe(铁)的光谱线相当丰富，波长都已知，把Fe的光谱拍在被测光谱的旁边，也就相当于摆上了一把“波长标尺”．Fe光谱可以用电弧发生器激发．
(5) 氢氘光谱灯．
氢氘光谱灯（或放电管）内所充的纯净氢氘气体，在高压小电流放电时分解成原子并被激发到高能态，在跃迁到低能态的退激过程中发出原子光谱．。