氢氘原子光谱实验
物理实验教学中心 2017.01.18
实验目的 理解如何用原子光谱方法分析同位素。 了解光栅光谱仪的基本构造，掌握光栅光谱仪测 量光谱的方法。 测算氢氘巴尔末线系前四条谱线的波长、里德伯 常数，并计算氢氘的质量比。
氢原子光谱
n2=5
莱曼系 n2=1 n1=2,3,4,5…
原子核 电子
2M R D R 2 M m
R 为将核的质量视为无穷大(即假定核固定不动)时的里德伯常数。
1 1 H D R R H D
1 1 2 n2 2
M m 2M m 2M m M 1 2M
(10 9 s ) 可以用来测量
快速的光脉冲过程。光电倍增管是光谱工作中最常用的光电器件之一。
实验仪器
电源
氢氘灯
光电倍增管
光谱仪
汞灯
实验仪器
数据采集器 电源
光电倍增管
汞灯
氢氘灯
光谱仪
实验过程和实验报告要求
1.仔细阅读实验操作板，理解实验原理和仪器使用方法。 2.使用光谱仪测量汞灯光谱，记录汞灯谱线位置。 3.使用光谱仪测量氢氘光谱各个谱峰位置，放大后记录氢氘谱峰数据。 4.实验报告要求使用汞灯谱线测量数据与标准数据参考拟合，获得转换 关系方程。 5.将实验测量得到的氢氘光谱数据代入该方程式中，获得近似标准氢氘 谱线数据。 6.计算氢氘谱线的里德伯常数、氢氘核质量比和质子电子质量比。 7.思考题和实验总结。
同位素位移
由于同一元素的不同同位素，它们原子核所拥有的中子数不同，引起原 子核质量差异和电荷分布的微小差异，而引起原子光谱波长的微小差别称为 “同位素位移”。 氢原子核是一个质子，其质量为M，氘核比氢核多一个中子，其质量近 似为2M。氢原子与氘原子的里德伯常数分别为:
M RH R M m
平面光栅
刻槽面法线将与光栅法线成 角 R ( ) 与刻槽倾斜角 有关 反射系数 单缝衍射光强主极大发生在： i r
i r
闪耀光栅
即满足反射定律的反射方向上 闪耀角条件
( ) / 2
光电倍增管
光阴极 倍增电极 阳极
应用了光电效应与电子倍增 发射的原理 ：
A 输出
光
k
1 mu 2 h 2
K
D1 R
D GD DN
2 3
RL 分压电路 - 高压 + Dn R
探测器的红限波长 :
c / h
c hc /
4
R
光阴极与阳极之间设置若干个电子倍增极 。 倍增极的二次电子发射系数为
，经N次倍增，可得增益： G 105 ~ 108 如果经N=10次二次发射，可得电流增益 与倍增极材料有关，一般 光电倍增管有极高的灵敏度，此外它有极快的时间响应
光栅光谱仪简介
光谱仪就是通过光栅等分光器件，将光线按不同波长进行分离，形成按波 长划分的光线能量分布。光谱仪用于纯光学特性分析，只需要测量和输出被测 源的相对光谱能量分布。 单色仪和光谱仪其实是一样的，只是根据使用目的不同而有不同的名称。
光栅
1. 光栅
— 大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件
n2=4
n2=3 n2=2 n2=1
帕邢系 n2=1 n1=2,3,4,5…
E h
氕
氘
氚
巴尔末系 n2=1 n1=3,4,5…
波尔原子轨道理论
1913年丹麦物理学家波尔(N bohr)提出了著名的波尔原子模型，波尔在经 典物理学基础上对原子中的电子轨道运动给出了几种假设，在此基础上得出了电 子轨道运动的角动量量子化条件。玻尔假设原子中的电子以物质波的形式运动在 特定的驻波轨道上，这样的轨道运动才能保持稳定运行，轨道运动参数只能取某 些不连续特定值。其次氢原子只有在从某一个稳定态转化为另一个稳定态时才会 发射(或吸收)辐射能量，如图1所示，发射或吸收的光子能量等于这两个状态的 能量差：
M m 2
同位素位移
若用MH和MD表示氢和氘的原子核质量，可得:
MH RH R M m H
整理后可得:
MD RD R M m D
MD H m M H M H H D D m / M H
根据实验中测量的氢氘光谱数据可分别计算氢氘核质量比以及质子和电子的质量比！
E E i E f h
hc
me 4 1 En 2 2 2 8 0 h n
原子中电子在稳定轨道运动具有分立的能量值:
当电子由某个能量状态跃迁到另一能量状态时，辐射光波波长可以表示为：
1 1 1 1 2 R 2 2 2 3 2 8 0 h c n2 n1 n n 1 2 1 me 4
mmax
2d

sin i sin 2
闪耀光栅
平面光栅零级衍射的能量最大，随着衍射级次的增高，衍射能量将 逐渐减少。由于零级衍射没有色散，对分光无用，而色散高的二级、三 级等强度较低，不利于使用光栅色散大的高级次。为了解决衍射能量的 利用问题，现代光谱仪中经常采用闪耀光栅。它可使最大衍射能量集中 在所需的级次上。
注意事项
1.仔细阅读实验操作板，按照要求顺序打开实验仪器:先控制电源后光谱仪 再计算机。 2.实验中入射狭缝可以根据信号强度适当调整，出射狭缝不要调整。 3.氢氘灯不可长时间处于打开状态，实验结束后立刻关闭。 4.光电倍增管负高压严格按照实验操作板或者仪器面板要求设置。 5.氢氘灯在入射狭缝前距离要调整适当，保证入射光强和入射角度匹配。 6.结束实验时关机顺序为计算机，光谱仪或控制电源。
透射光栅
反射光栅
2 . 光栅常数d
d a b
光栅宽度为 l ，每毫米缝数为 m ，则 总缝数
a
透光宽度
b
不透光宽度
N m l
平面衍射光栅
光栅分透射式与反射式。光谱仪使用反射式光栅。
m d (sin sin )
光栅方程


是入射角 是衍射角
m=0，所有波长不分开，没有色散，零级光谱 m≠0，对于一定的光栅常数和同样的入射角，同一级次不同 波长的光在空间向左右两边分开 m>0，正级光谱 m<0，负级光谱