氢原子光谱实验

背景介绍：

原子的电子运动状态发生变化时发射或吸收的有特定频率的电磁频谱。原子光谱是一些线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。原子的发射谱线与吸收谱线位置精确重合。不同原子的光谱各不相同，氢原子光谱最为简单，其他原子光谱较为复杂，最复杂的是铁原子光谱。用色散率和分辨率较大的摄谱仪拍摄的原子光谱还显示光谱线有精细结构和超精细结构，所有这些原子光谱的特征，反映了原子内部电子运动的规律性。

阐明原子光谱的基本理论是量子力学。原子按其内部运动状态的不同，可以处于不同的定态。每一定态具有一定的能量，它主要包括原子体系内部运动的动能、核与电子间的相互作用能以及电子间的相互作用能。能量最低的态叫做基态 ，能量高于基态的叫做激发态 ，它们构成原子的各能级。高能量激发态可以跃迁到较低能态而发射光子，反之，较低能态可以吸收光子跃迁到较高激发态，发射或吸收光子的各频率构成发射谱或吸收谱。量子力学理论可以计算出原子能级跃迁时发射或吸收的光谱线位置和光谱线的强度。

原子光谱提供了原子内部结构的丰富信息。事实上研究原子结构的原子物理学和量子力学就是在研究分析阐明原子光谱的过程中建立和发展起来的。原子是组成物质的基本单元。原子光谱的研究对于分子结构、固体结构也有重要意义。原子光谱的研究对激发器的诞生和发展起着重要作用，对原子光谱的深入研究将进一步促进激光技术的发展；反过来激光技术也为光谱学研究提供了极为有效的手段。原子光谱技术还广泛地用于化学、天体物理、等离子体物理等和一些应用技术学科之中。

原子或离子的运动状态发生变化时，发射或吸收的有特定频率的电磁波谱．原子光谱的覆盖范围很宽，从射频段一直延伸到X射线频段，通常，原子光谱是指红外、可见、紫外区域的谱．

原子光谱中某一谱线的产生是与原子中电子在某一对特定能级之间的跃迁相联系的．因此，用原子光谱可以研究原子结构．由于原子是组成物质的基本单位，原子光谱对于研究分子结构、固体结构等也是很重要的．另一方面，由于原子光谱可以了解原子的运动状态，从而可以研究包含原子在内的若干物理过程．原子光谱技术广泛应用于化学、天体物理学、等离子物理学和一些应用技术科学中．

实验目的：

1、进一步熟悉光栅光谱仪的性能与使用方法；

2、测量氢原子的光谱，理解原子结构与原子跃迁过程。

实验原理：

氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管（氢灯）中的稀薄的氢气（压力为102Pa左右），可以得到线状的氢原子光谱。在19世纪下半期，已了解到稀薄气体发光产生的光谱是不连续的。从1885年，瑞士中学教师巴耳末发现描述氢原子光谱规律性的巴耳末公式开始，由大量实验数据分析出原子发射的线光谱是由按照一定规律组成的若干线系构成的。例如，氢原子光谱谱线的波数可用下述的经验公式来描述：

n2H02

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其中H为氢原子谱线在真空中的波长。0364.57nm是一个经验常数。n取整数。

~~表示，则上式变化为：如果用波数H1HRH(11) 22N2其中RH的为氢的里德伯常数。

根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得到：

22me4z2Rz 23(40)ch(1m/M)其中M、m、e、c、h、0 z分别是原子核质量、电子质量、电子电荷、光速、普朗克常数、真空介电常数和原子序数。

当原子核质量M是时，由上式可以得出相当于原子核不动时的里德伯常数（普适的里德伯常数）

22me4z2R 23(40)ch所以也就有：RzR

(1m/M)对于氢原子而言，有：

RHR

(1m/MH)其中MH是氢原子核的质量。

据此我们可以知道通过实验测量得到氢的巴尔末线系的前几条谱线的波长，借助上式可以求得氢的里德伯常数。里德伯常数R是重要的基本物理常数之一，对它的精确测量在科学上具有重要的意义，目前它的推荐值为：

RH10973731.568549(83)m1

下表是氢的巴尔末线系的波长：

谱线Hα Hβ Hγ Hδ Hε Hξ Hε Hζ Hδ Hκ 符号 波长656．486．434．410．397．388．383．379．377．375．（nm） 280 133 047 174 007 906 540 791 063 015

根据原子物理学知识，氢的光谱线系分为赖曼系、巴尔末系、帕邢系、布喇开系和普丰特系等等。如果从基态开始，氢原子能级我们分别标注为E1、E2、……Ei、……，那么Ei（i>1）能级向E1的跃迁构成赖曼系，Ei（i>2）向E2的跃迁构成巴尔末系，依此类推。

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相关的谱线系构成了氢原子的特征谱线，由于能级间能量的差异，谱线分布在从紫外到红外的宽广区域，具体通项和波段如下：

11RH(22),n2,3,4... 1n111可见光部分： 巴尔末系：RH(22),n3,4,5...

2n111红外部分： 帕邢系：RH(22),n4,5,6...

3n111布喇开系：RH(22),n5,6,7...

4n111普丰特系：RH(22),n6,7,8...

5n111汉弗莱斯系：RH(22),n7,8,9...

6n紫外部分： 赖曼系：

所有这些都可以一般的表达为两个光谱项的差值：

11T(m)T(n)RZ2(11) 22mnR为里德伯常数，Z为类氢离子的原子序数，m、n是整数，且n＞m

总之，关于原子光谱规律可归结为：

（1）谱线的波数由两个谱项的差值来决定。

（2）如果前项保持定值，后项按整数参变量而变，则所给出的各谱线便是同一谱系中各谱线的波数。

（3）改变定项的数值，便给出不同的谱系。 现在，根据量子力学理论我们清楚地知道氢光谱之所以出现如此有规律的谱线，是原子的电子能级结构以及原子在各能级间跃迁的必然反应。

值得注意的是，计算RH和R，应该用氢谱线在真空中的波长，而实际的过程是在空气中发生的，所以要将空气中的波长转化为真空中的波长。也就是：vacuumair，巴尔末线系的前六条谱线的修正值表示如下：

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氢谱线 Hα Hβ Hγ Hδ Hε Hξ (nm)

0．181 0．136 0．121 0．116 0．112 0．110 实验仪器：

本实验使用的光谱获得设备是天津市港东科技发展有限公司生产的WGD—8A型组合式多功能光栅光谱仪。

该设备由光栅单色仪、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。光学系统采用C-T型。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5nm。光源发出的光束进入入射狭缝S1,S1位于过反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上或S3上。

设备的基本特征参数如下： M2、M3 焦距500mm

光栅G 每毫米刻线2400条，闪耀波长250nm 波长范围200-660nm 相对孔径 D/F=1/7 杂散光 ≤10-3

分辨率 优于0.06 nm 光电倍增管接收

（1）波长范围 200-660nm （2）波长精度 ≤ ±0.2nm （3）波长重复性 ≤ 0.1nm CCD（电荷耦合器件） （1）接收单元 2048

（2）光谱响应区间 300-660nm （3）积分时间 88档 （4）重量 25kg

两块滤光片工作区间 白片 350-600nm 红片 600-660nm

关于本设备的详细使用方法已经在光栅光谱仪的使用实验中详细学习过，设备操作的细节问题请参看实验讲义相关内容。

本实验提供如下气体放电光源：氢灯、钠灯、汞灯、氮灯和镉灯。这些光源都广泛使用在化学化工、医药卫生、石油石化等领域，尤其是钠灯和功能，是常用的单色光源，为干涉仪、折射仪、分光光度计、单色仪、旋光仪和偏振计等光学仪器提供稳定的单色光。

钠灯点燃后能辐射出较强589.0nm、589.6 nm谱线，汞灯点燃后能发出较强的汞的特性光谱线，在可见区辐射光谱波长577.0nm、579.0nm、546.1nm、404.7nm谱线，氮灯的特征谱线是479.5和493.5nm的特征谱线。

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光路图：

实验内容：

1、测量得到不同工作电压条件下的三组氢光源和氮光源的光谱数据； 2、将氢谱线空气中的波长修正为真空波长；

3、计算各谱线的里德伯常数RH，并得到平均值；

4、计算普适里德伯常数.R，并与推荐值比较，得到相对误差； 5、使用Origin软件对数据分析实验数据；

实验数据：

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谱线 符号 H H 487.84 H H 411.84 H H 390.58 HHHH 波长（nm） 658.06 里德堡常数10938242.984 435.74 398.68 10929499.926 10925282.970 10923496.684 10921872.945 10922849.437 RH(m1)

计算得里德堡常数平均值为RH10926540.824m，与标准值的相对误差为

1E0.24%

思考题：

1） 谱线的波数是完全由两个谱项的差值来决定的；如果前项是保持定值，那么后项就

会按照整数参变量而变，给出的各项谱线便是同一谱系中各谱线的波数；改变定项的数值大小，就会得出不同的谱线。 2） 峰宽与在停留在该态的时间有关。Eh就是峰宽，t是停留在该态的平均寿4t命。 3） 会变大。

4） 不是。光电倍增管是属于弱光检测器件，不能接收强光的照射，如果接受强光，则

会引起雪崩效应而损坏光电效应管。

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