南京大学-氢原子光谱实验报告..docVIP

氢原子光谱 一．实验目的 1．熟悉光栅光谱仪的性能和用法 2．用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数 二．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)中的稀薄氢气(压力在左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 （1） 式中为氢原子谱线在真空中的波长。是一经验常数。取等整数。 若用波数表示，则上式变为 （2） 式中称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 （3） 式中为原子核质量，为电子质量，为电子电荷，为光速，为普朗克常数，为真空介电常数，为原子序数。 当时，由上式可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) （4） 所以 （5） 对于氢，有 （6） 这里是氢原子核的质量。 由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线j的波长，借助（6）式可求得氢的里德伯常数。 里德伯常数是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上有重要意义，目前它的推荐值为 表1为氢的巴尔末线系的前四条波长表 谱线符号 波长（nm） Hα 656.280 Hβ 486.133 Hγ 434.047 Hδ 410.174 表1　氢的巴尔末线系波长 值得注意的是，计算和时，应该用氢谱线在真空中的波长，而实验是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长。即，氢巴尔末线系前6条谱线的修正值如表2所示。 氢谱线 Hα Hβ Hγ Hδ Hε Hζ 0.181 0.136 0.121 0.116 0.112 0.110 表2　真空—空气波长修正值 三．实验仪器 实验中用的实验仪器有 WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪，计算机 示意图如下： 图1 四．实验内容 1．接通电源前，检查接线是否正确，检查转化开关的位置。 2．接通电箱电源，将电压调至。 3．启动计算机并进行初始化。 4．先用氦光源作为标光源，测定氦的原子谱线，调整狭缝，使得谱线的强度在可测量范围内的。 5．换成氢光源，同样调整狭缝，调整狭缝时两狭缝要匹配，扫描完后对曲线进行寻峰，读出波长，记录数据。 五．实验图像与数据处理 1．氦原子光谱的测量（光谱测量图像见后） （1）实验数据。氦原子光谱的实验数据与标准值如表3所示： 实验峰值波长/nm 447.6 471.1 501.8 587.0 705.2 标准光谱波长/nm 447.1 468.6 501.6 587.6 706.6 差值/nm 0.5 2.5 0.2 -0.6 -1.4 表3 氦原子谱线波长（空气中测量） （2）数据修正。测量值与真空中氦的实际谱线有一定偏差，若要以氦原子的谱线数据作为基准，要对数据进行修正。 测量值与标准值的平均偏差，为减小平均偏差，将每个数据减去，得到新的谱线： 光谱波长/nm 447.4 470.9 501.6 586.8 705.0 表4 氦原子谱线波长修正值 还有一种方法是使得修正后的数据与标准值的方均偏差最小。 此时若记修正值为，则方均误差的表达式为 易知该函数的最小值在处取到，故结果与第一种处理方法一致。 （3）修正结论。综上可知，以氦原子真空状态为基准时要把波长数据减去以减小平均误差。 2．氢原子光谱的测量（光谱测量图像见后） （1）实验数据。氢原子光谱的测量数据与标准值如表6所示 实验峰值波长/nm 411.0 434.6 486.3 655.5 标准光谱波长/nm 410.2 434.0 486.1 656.3 谱线序数 6 5 4 3 差值/nm 0.8 0.6 0.2 -0.8 表5 氢原子谱线波长（空气中测量） （2）数据修正。若以氦原子的真空状态测量为基准，则每个数据需要减去偏差值，得到新的数据： 修正的实验波长/nm 410.8 434.4 486.1 655.3 标准光谱波长/nm 410.2 434.0 486.1 656.3 谱线序数 6 5 4 3 差值/nm 0.6 0.4 0.0 -1.0 表6 氢原子谱线波长修正值 新数据的平均误差减小为，所以对氢原子