基础物理实验研究性实验报告氢原子光谱和里德伯常数的测定——定量误差分析和实验改进第一作者：学号：第二作者：学号：第三作者：学号：2013年5月20日摘要本文详细地介绍了氢原子光谱和里德伯常量实验的实验要求、实验原理、仪器介绍和实验内容并测量处理了数据，计算了不确定度及误差，并从钠黄双线无法区分的现象触发定量地分析了此现象的原因和由此产生的误差，最后总结了基础物理实验的经验感想。

关键字：氢原子光谱里德伯常量钠黄双线AbstractThis paper introduced the hydrogen atoms spectrum and Rydberg constant experiment from experimental requirements, experimental principle, instruments required, content and Data processing. Considering that the wavelength difference of Na-light double yellow line is indistinguishable from human eyes, we analyze the cause of this phenomenon and the resulting errors quantitatively and propose an innovate experiment method combined with inadequate sharpness and lightness of the spectrum as well as the errors brought during the turning of telescope. At last we concluded understanding of basic physics experiment.Key words: hydrogen atoms spectrum, Rydberg constant, Na-light double yellow line目录摘要 (1)关键字 (1)一．实验目的 (4)二．实验原理 (4)1、光栅衍射及其衍射 (4)2、光栅的色散本领与色分辨本领 (5)3、氢原子光谱 (7)4、测量结果的加权平均 (8)三．实验仪器 (8)四．实验内容 (9)1、调节分光仪 (9)2、调节光栅 (9)3、测光栅常数 (9)4、测量氢原子里德伯常数 (9)五．实验数据及处理 (10)1、用钠灯测光栅常数 (10)2、用氢灯测定里德伯常数 (11)3、计算钠黄光角色散率和分辨本领 (13)六．误差的定量分析 (14)1、人眼的分辨本领 (14)2、计算不确定度和相对误差： (14)3、有关钠黄双线能否被观测到分开的探讨 (14)七．实验改进措施 (17)八．实验感想与总结 (17)参考文献 (19)一．实验目的➢巩固提高从事光学实验和使用光学仪器的能力；➢掌握光栅的基本知识和使用方法；➢了解氢原子光谱的特点并用光栅衍射测量巴耳末系的波长和里德伯常数；➢巩固与扩展实验数据的处理方法，及测量结果的加权平均，不确定度和误差计算，实验结果的讨论等。

二．实验原理1、光栅衍射及其衍射波绕过光栅而传播的现象称为衍射。

具有周期性的空间结构的衍射屏称为“栅”。

当波源与接收器距离衍射屏都是无限远时所产生的衍射称为夫琅禾费衍射。

光栅是使用最广泛的一种衍射屏。

在玻璃上刻画一组等宽度、等间隔的平行狭缝就形成了一个投射光栅；在铝膜上刻画出一组端面为锯齿形的刻槽可以形成一个反射光栅；而晶格原子的周期排列则形成了天然的三维光栅。

本实验采用的是通过明胶复制的方法做成的投射光栅。

它可以看成是平面衍射屏上开有宽度为a的平行狭缝，缝间的不透光的部分的宽度为b，d=a+b称为光栅常数。

如图1。

a.光栅衍射可以看成是单缝衍射和多缝干涉的综合。

当平面单色光正入射到光栅上市，其衍射光振幅的角分布正比于单缝衍射因子ααsin和缝间衍射因子ββsin sin N 乘积，即沿 θ方向的衍射光强： I （θ）=I02sin ⎪⎭⎫ ⎝⎛αα2sin ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ββN N 式中α=λθπsin a ，sin /d βπθλ=，N 是光栅的总缝数。

当sin β=0时，sin Nβ也等于0，ββsin sin N =N ，I （θ）形成干涉极大；当βN sin =0时，但βsin ≠0时，I （θ）=0，形成干涉极小。

它说明：在相邻的两个主极大之间有N -1个极小、N -2个次级大；N 数越多，主极大的角宽度越小。

b.正入射时，衍射的主极大位置由光栅方程λθk d =sin （k=0,2,1±±……） 决定，单缝衍射因子ααsin 不改变主极大的位置，只影响主极大的强度分配。

c. 当平行单色光斜入射时，对入射角α和衍射角θ做以下规定：以光栅面法线为准，由法线到光线逆时针入射为正，顺时针为负。

这时光栅相邻狭缝对应点所产生的光程差为∆()αθλsin sin -=d ,光栅方程应为 ()λαθk d =-sin sin （k=0,2,1±±……）不同波长的光入射到光栅上时，由光栅方程可知，其主极强位置是不同的。

对同一级的衍射光来讲，波长越长，主极大的衍射角就越大。

如果通过透镜接收，将在其焦面上形成有序的光谱排列，如果光栅常数已知，就可以通过衍射角测出波长。

2、光栅的色散本领与色分辨本领和所有的分光元件一样，反应衍射光栅色散性能的主要指标有两个，一是色散率，而是色分辨本领。

他们都是为了说明最终能够被系统所分辨的最小的波长差δλ。

色散率色散率讨论的是分光元件能把不同波长的光分开多大的角度。

若两种光的波长差为δλ，他们颜射的角间距为δθ，则角色散率定义为D θδθδλ=。

D θ可由光栅方程sin d k θλ=导出：当波长由λλδλ→+时，衍射角由θθδθ→+，于是cos d k θδθδλ=, 则cos k D d θδθδλθ≡=上式表明，D θ越大，对相同的δλ的两条光线分开的角度δθ也越大，实用光栅的d 值很小，所以有很大的色散能力。

这一特性使光栅成为一种有两的光谱分光元件。

与色散率类似的另一个指标是线色散率。

它指的是对波长差为δλ的两条谱线，在观察屏上分开的（线）距离l δ有多大。

考虑到光栅后面望远镜的物镜焦距f 即可，l f δδθ=，于是线色散率cos l l kf D fD d θδδλθ≡== （1） 色分辨率本领色散率只反映了谱线（主极强）中心分离的程度，它不能说明两条谱线是否重叠。

色分辨本领是指分辨波长很接近的两条谱线的能力。

由于光学系统尺寸的限制，狭缝的像因衍射而展宽。

光谱线表现为光强从极大到极小逐渐变化的条纹。

根据瑞利判据，当一条谱线强度的极大值刚好与另一条谱线的极小值重合时，两者刚好分辨。

由cos d k θδθδλ=可知，波长差为δλ的两条谱线，其主极大中心的角距离cos k d δλδθθ=，而谱线宽度cos Nd λθθ∆=；当两者相等时，δλ刚可被分辨：cos cos k d Nd δλλθθ=，由此得 kN λδλ=光栅的色分辨本领定义为R kN λδλ≡= 上式表明光栅的色分辨率本领与参与衍射的但愿总数N 和光谱的级成正比，而与光栅常数d 无关。

注意上式中的N 是光栅衍射时的有效狭缝总数。

3、氢原子光谱原子的线状光谱是微观世界量子定态的反映。

氢原子光谱是一种最简单的原子光谱，它的波长经验公式首先是有巴耳末从实验结果中总结出来的。

之后玻尔提出了原子结构的量子理论，它包括3个假设。

①定态假设：原子中存在具有确定能量的定态，在改定态中，电子绕核运动，不辐射也不吸收能量；②跃迁假设：原子某一轨道上的电子，由于某种原因发生跃迁时，原子就从一个定态n E 过渡到另一个定态m E ，同时吸收或者发散一个光子，其频率ν满足n m h E E ν=-，式中h 为普朗克常量；③量子化条件：氢原子中容许的定态是电子绕核圆周运动的角动量满足L nh =，式中n 成为主量子数。

从上述假设出发，玻尔求出了原子的能级公式422201()8n me E n hε=- 于是得到原子由n E 跃迁到m E 时发出的光谱线波长满足关系22111()(1,2,3,...)H R n m m m m n λ=-=+++ 式中，H R 称为里德伯而常数。

当m 取不同值时，可得到一系列不同线系：赖曼系 22111()(2,3,...)1H R n nλ=-= 巴耳末系 22111()(3,4,...)2H R n nλ=-= 帕邢系 22111()(4,5,...)3H R n nλ=-=布喇开系 22111()(5,6,...)4H R n n λ=-= 芬德系 22111()(6,7,...)5H R n n λ=-= 本实验利用巴耳末系来测量里德波尔常数。

巴耳末系所对应的光谱其波长大部分落在可见光范围内。

4、测量结果的加权平均在等精度测量中，如果测量X 的n 此结果为1x ，2x ，3x ，…，但次测量结果的不确定度12()()...()()n u x u x u x u x ====，则应取平均值i x x n =∑作为测量结果，并按照平均值的标准差()u x =x 的不确定度。

如果进行的不是等精度测量，观测X 的n 次测量结果为11()x u x ±，22()x u x ±，…，()n n x u x ±，则X 的最佳测量值和不确定度可由下式得到：22()1()i i ix u x x u x =∑∑ 221()1()i u x u x =∑三．实验仪器【分光仪】本实验中用来准确测量衍射角。

【投射光栅】本实验中使用的是空间频率约300条/mm 的黑白复制光栅。

【钠灯及电源】钠灯型号为ND20，用功率20W ，工作电压20V ，工作电流1.3A 的电源点燃，预热约10分钟后会发出平均波长为589.3nm 的强黄光。

本实验中用作标准谱线来校准光栅常数。

【氢灯及电源】氢灯用单独的直流高压电源点燃。

使用时极性不能接反，也不能用手触碰电极。

直视时呈淡红色，主要包括巴耳末系中n=3,4,5,6的可见光。

四．实验内容1、调节分光仪基本要求是使望远镜聚焦于无穷远，其光轴垂直仪器主轴；平行光管出射平行光，其光轴垂直仪器主轴。

2、调节光栅调节光栅的要求是使光栅平面与仪器主轴平行，且光栅平面垂直平行光管；光栅刻线与仪器主轴平行。

3、测光栅常数λ=作为标准谱线校准光栅常数d。

用钠黄光589.3nm4、测量氢原子里德伯常数R。