多光道分析器研究氢原子光谱

用多光道分析器研究氢原子光谱摘要：本实验测定了氢原子巴尔末系发射光谱的波长和氢的里德伯常数，氢原子能级与光谱的关系，并画出了氢原子的能级图，介绍了光学多通道分析器的原理和使用方法。通过实验，我们对氢原子光谱和电子跃迁原理有了更深刻的认识。关键词：光学多通道分析器，氢原子光谱，巴尔末系，里德伯常数一、引言氢原子由一个质子及一个电子构成，是最简单的原子，因此其光谱一直是了解物质结构理论的主要基础。1885年巴尔默总结了人们对氢光谱测量的结果，提出了著名的巴尔默公式。氢原子光谱规律的发现为波尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起到过很重要的作用。通过巴尔默公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论的可靠性的标准和测量其他物理常数的依据。二、实验原理根据玻尔氢原子理论，氢原子的能级公式为：,3,2,11822304nnhenE从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差，即nEmEh得到氢原子跃迁时波长与能级关系式为：22111mnRhcnEmEH式中HR称为氢原子的里德伯常数，单位是1m，它与能级nE是对应的．，得氢原子各能级的能量21nchRnEH式中18151099792.2,1013567.4smcseVh从能级图1可知，从3m至2n的跃迁．光子波长位于可见光区．其光谱符合规律5,4,3,12122mmRH这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，氢原子光谱的该线系被称为巴耳末系．当m分别取3,4,5,6时，对应谱线即HHH,,和H四条线，根据221-211m斜率可得里伯常数值。图1三、实验仪器光学多通道分析器(OpticalMultichannelAnalyzer，OMA)入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成λ1→λ2的谱带。位于出射窗口处的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描读出，经A多色仪及光源部分的光路见图2。光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S1，入射光经平面反射镜M1转向900，经球面镜M2反射后成为平行光射向光栅G。衍射光经球面镜M3和平面镜M4成像于观察屏P。由于各波长光的衍射角不同，在P处形成以某一波长为中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征．转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。多色仪上有显示中心波长λ0的波长计。开平面镜M4可使M3直接成像于光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全一致[2].图2四、实验过程由于𝐻𝛼线的波长为656.28nm，𝐻𝛿线为410.17nm．波长间隔达246nm，超过CCD一帧159nm的范围．所以要分两次测量．第一次测量𝐻𝛽𝐻𝛿𝐻𝛾三条线，第二次单独测量𝐻𝛼线．第一次测量时用汞灯的404.66nm(紫光)、435．84nm(蓝光)、546．07nm(绿光)等谱线作为标准谱线来定标；第二次用汞灯的546.07nm．576.96nm(黄光)，579.07nm(黄光)来定标。具体步骤如下：1．将多色仪起始波长调到370nm，入射狭缝的宽度为0.1mm左右。2．用汞灯作光源，调节L、S与多色仪共轴，并令光源S成大像于入射狭缝处。此时在多色仪的观察屏P上观察到清晰、明亮的紫色水银谱线。3．转动M4，使光谱照到CCD上．调节入射狭缝，使谱线变锐，选择适当的曝光时间以获得清晰、尖锐的光谱图．由于谱线强度不同，对不同的谱线可选用不同的曝光时间。4．用汞灯的几条标准谱线定标，使横坐标表示波长(nm)。5．改用氢灯，转动M4，使谱线成像在观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强度为最强。6．转动M4，测量𝐻𝛽𝐻𝛿𝐻𝛾三条线的波长。7．将多色仪的起始波长调至540nm，用汞灯再次定标后，方法如上测量𝐻𝛼线的波长。五、实验数据1.实验数据表格两次定标结果如下：由于数据图比较模糊，就没有放上来，直接整理数据：HHHHm3456nm/659.48485.23433.65409.821/m6101.5166102.0606102.3066102.44021m111.00625.0-0.040278.02.趋势线如图斜率为𝑅𝐻=1.111×107𝑚−1，理论值𝑅𝐻=1.09737×107𝑚−1相对误差w=1.23%，实验比较准确。3.氢原子能级图六、误差分析：y=11.11x+2.7507R²=111.21.41.61.822.22.42.6-0.12-0.11-0.1-0.09-0.08-0.07-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02图表标题光源和狭缝摆放的位置很大程度上决定了图像的质量。实验中发现，不同的摆放位置和角度信噪比不一样，导致结果差别很大。为了减小误差，应当选取合适的摆放位置，使得峰值最为尖锐。参考文献[1]氢光谱实验中R_HA类不确定度的处理与讨论[J].王书运,高铁军.物理测试.2006(06)[2]周殿清等，基础物理实验[M]．北京：科学出版社，2009．[3]CCD光学多道分析器及其在光谱数据采集中的应用[J].杨经国,冉瑞江,杜定旭,薛康,张立志.四川大学学报(自然科学版).1993(03)