氢氘光谱实验PPT
氢氘光谱
546.22
577.06
579.12
汞光谱的峰值的标准值：
编号
1
2
3
4
波长/nm
365.02
365.48
366.3
404.66
5
6
7
8
9
407.78
435.84
546.07
576.96
579.07
将二者进行拟合，用origin进行处理的一下拟合曲线
测得的氢氘光谱数据如下
组数
1
2
3
4
第一个波峰/nm
2、测量氢氘光谱
打开氢氘光源，仔细调节使得氢氘光源的光线聚焦在摄谱仪的细缝处，调节好以后暂时关闭氢氘光源，调节仪器参数设定：
工作方式：模式：能量
间隔：0.02nm
工作范围：起始波长：400.00nm
终止波长：660.00nm
最大值：1000.0
最小值：0.0
工作状态：负高压：8
增益：4
然后在400.00nm处检索，检索结束后打开氢氘光源，进行单程扫描。期间在第三个峰值出现后（大约在485nm左右）可关闭氢氘光源一段时间，防止氢氘光源因连续使用时间过长而损坏，然后再600~650nm之间再打开，不打扰第四个峰的出现即可。
思考题：
1、画出氢原子巴耳末线系的能级图，并标出前四条谱线对应的能级跃迁和波长数。
2、在计算RH、RD时，应该以真空中的波长代入公式计算，但是，实验中的测量是在空气中进行的，铁谱图上所标也是空气中的波长。空气的折射率为n=1.00029，应作修正，并将修正后的RH、RD值与公认值比较。
答：由于波长存在着 ，所以有
410.14
434.04
氢与氘原子光谱
氢灯
5）拍摄氢（氘）谱：换上装好底片（药面对光）的暗 盒，调节暗盒在15mm处，拍下氢光谱，曝光时间参考值：30 －60秒 ；（换上氘灯，暗盒调到35mm处，拍下氘光谱，曝 光时间参考值：2-5分钟）。
刻度 暗盒移动旋轮
6）拍摄铁谱：暗盒 移到25、45mm处，打开铁弧，调 节光稳定和光路，拍下铁光谱，曝光时间1－5秒。关闭暗 盒铁皮取下。
d1 、d 2 、d x
λx 为待测谱，
分别为它们的坐标刻度值，则：
λ2 − λ1
d 2 − d1
=
λx − λ1
d x − d1
dx
λx λ2 d2
d x − d1 λx = λ1 + (λ2 − λ1 ) d 2 − d1
λ1 d1
实验装置
小型棱镜摄谱仪 或多功能组合光栅光谱仪
实验内容பைடு நூலகம்步骤
谱片 放大倍数调节 标记点 谱片投影
调焦 标准谱片
(外)左右移动
（内）前后移动
认
标准 谱片
注意:谱片投影 和标准谱片的 谱线波长变化 方向要一致 查标准谱片 找出其波长
谱
特征 谱线 基本 对准
波长越长
铁 谱 谱 片 投 待 影 测 谱
λ1
λ2
λx
标记点
提示:通过查待测量谱线的理论波长 值,在理论值附近找就容易认出谱线.
多功能组合光栅光谱仪
多功能组合光栅光谱仪是一种新型测谱仪,由 单色仪、光接收单元、电控箱、计算机等组成。
显示器 单色仪 接收单元 电控箱 计算机 打印机
键盘、鼠标
多功能组合光栅光谱仪
狭缝调节轮 PMT CCD(背后) 电控箱
DVD
TP RWDS-8型组合多功能光栅光谱仪电控箱
氢与氘原子光谱共49页文档
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
氢与氘原子光谱
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
1-2氢-氘原子光谱
1-2 氢－氘原子光谱引言原子光谱的研究，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。
氢原子是结构最简单的原子，其光谱也是最简单的。
1885年，巴尔末（J.J.Balmer ）根据人们的观测数据，总结出了氢原子光谱线的经验公式。
1913年，玻尔（N.Bohr ）在巴尔末研究成果基础上，提出了氢原子的玻尔模型；1925年，海森伯（W.Heisenberg ）提出的量子力学理论，也是建立在原子光谱的测量基础之上的。
现在，原子光谱的观测研究，仍然是研究原子结构的重要方法之一。
20世纪初，人们根据实验预测氢有同位素。
1919年发明质谱仪后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家由各种化合物测得的结果为1.00779。
基于上述微小的差异，伯奇(Birge)认为氢有同位素2H （元素左上角标代表原子量），它的质量约为1H 的2倍，据此他算得1H 和2H 在自然界中的含量比大约为4000：1。
由于里德伯(J.R.Rydberg)常量和原子核的质量有关，因此，2H 的光谱相对于1H 的应该会有位移。
1932年，尤雷(H.C.Urey)将3L 液氢在低压下细心蒸发至1mL 以提高2H 的含量，然后将这1mL 液氢注入放电管中，用它拍得的光谱，果然出现了相对于1H 移位了的2H 的光谱，从而发现了重氢，取名为氘，化学符号用D 表示。
由此可见，对样品的考究，实验的细心，测量的精确，于科学进步非常重要。
预习思考1． 巴尔末总结出来的氢原子光谱线的经验公式是什么？ 2． 如何利用测量的氢、氘光谱线计算相应的里德伯常数？ 3． 棱镜摄谱仪、光栅光谱仪是如何实现波长选择的？实验目的1． 加深对氢光谱规律和同位素位移的认识。
2． 通过计算氢、氘原子的里德伯常数，了解精密测量的意义。
3． 掌握利用摄谱仪、光栅光谱仪测量氢、氘原子光谱的方法。
实验原理1885年，巴尔末发现了氢原子光谱的规律，特别是位于可见光区的四条H α，H β，H γ和H δ谱线，其波长可以很准确的用经验公式（巴尔末公式）来表示。
氢与氘原子光谱
调 节
5
2.旋转6使右边圆盘读 数中的0对准指针位置.
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
10 6
4 5 6 9 2 8 1 3
5 15
10
1.旋转5将5mm刻度线拉到十 分之一毫米刻度线0的位置.
7
调
节
读数
95
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0
4 10 2 8
5 6 9 3 1
4
5 30
11. 计算有关量.
氢与氘原子光谱
实验目的
1、通过拍摄氢(氘)、铁原子光谱，或利用多功 能组合光栅光谱仪采集氢（氘）光谱，求出里德伯 常数，以达到初步掌握光谱定性分析的基本方法； 2、测定氘氢原子核质量比； 3、理想精确测量的意义。
实验原理
1.氢光谱巴尔末线系（在可见光区）的规律为
n2 λH = 364.56 2 nm n −4
R∞ RH = (1 + m / M ) R∞ H RA = ⇒ R∞ (1 + m / M A ) RD = (1 + m / M D ) MD m λH = ⋅ M H M H (λD − λH + λD m / M H )
3.比较光谱法测定谱线的波长
λ1 , λ2 分别为标准谱，
6.求谱线波长 6.求谱线波长 测谱线的坐标：谱片放在阿贝比长仪上，读取标 准谱(铁谱) 准谱(铁谱)和待测谱的坐标。
阿贝比长仪
4 10 2 8 1 5 6 9 3
1.工作台 2.导板 3.主标尺 4.视物显微镜 5.微米计转轮 6.微调旋钮 7.微移转轮 8.固定板 9.读数显微镜 10.热辐射屏罩
点击
8. 峰值检索.
1-1 氢(氘)原子光谱
专题实验1 光谱的测量与分析1.1 氢（氘）原子光谱原子光谱是建立量子理论的实验基础。
1885年，巴尔末（J. J. Balmer ）根据已有的观测结果，提出氢光谱线的经验公式。
波尔（N. Bohr ）1913年2月看到这一公式，3月6日就建立了氢原子理论；海森堡（W. Heisenberg ）在1925年提出量子力学理论也是基于原子光谱的实验成就；光谱的精细结构使人们认识到核外电子的运动状态除了存在主能级量子化以外，还有亚能级量子化。
1932年，尤里（H. C. Urey ）将3 liter 液态氢在低压下缓慢蒸发至1 ml 后，注入放电管，拍摄其巴尔末线系光谱，发现在普通氢（氕）每条谱线的短波侧都出现一条弱的伴线，从而证实了氘的存在。
这是原子核质量差异导致里德伯常数发生变化的结果，称为同位素移位。
对于重核，同位素移位并不明显，但是中子数不同会引起核自旋发生改变，光谱结构还是会复杂化，这就是所谓的超精细结构。
今天，原子光谱仍然是研究原子结构的重要方法。
一、实验目的（1）了解光栅光谱仪等常见光谱分析仪器的原理和使用方法； （2）通过测量巴尔末线系的谱线波长，计算氘的里德伯常数。
二、实验原理原子虽然是元素的最小单元，但还具有复杂的核式内部结构，核外是绕核运动的电子。
α粒子散射实验肯定了原子的核式结构，而对核外结构的认识则是从光谱研究开始的。
光谱记录了电磁辐射随波长变化的强度分布，是研究原子结构的重要手段。
通过测量原子发光光谱中各谱线的波长，可以推算出原子的能级结构，从而得到有关原子微观结构的信息。
光谱主要指发射光谱或吸收光谱。
发射光谱是由发光体直接产生的光谱，例如，由炽热的固体、液体和高压气体发光形成的连续光谱和由稀薄气体或者金属蒸汽发光形成的明线光谱都属于发射光谱。
吸收光谱则是连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。
吸收光谱中的每条暗线都与物质的特征谱线相对应。
在所有的元素中，氢的原子结构最简单，从氢原子明线光谱理解原子的核外结构也最直观。
氢氘光谱
实验题目：氢氘光谱实验目的：本实验以氘原子光谱为研究对象，研究获得同位素光谱的实验方法、分析方法及其在微观测量中的应用。
实验仪器：WGD-8型多功能光栅光谱仪、氢氘灯、汞灯、微机等。
实验原理：（点击跳过实验原理）1. 原理：根据玻尔理论，原子的能量是量子化的，即具有分立的能级。
当电子从高能级跃迁到低能级时，原子释放出能量，并以电磁波形式辐射。
氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波数为：)121()1()4(222320242nm m c h Z e m Ze e -+=πεπσ（1）其中m Z 为原子核质量，m e 为电子质量，e 为电子电荷，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，c 为光速，Z 为原子序数。
因此类氢原子的里德伯常数可写成：)1(1)4(2320242Ze e Z m m ch Ze m R +⋅=πεπ（2）若∞→Z m ，即假定原子核不动，则有：ch Ze m R e 320242)4(2πεπ=∞ （3）因此：)1(Ze Z m m R R +=∞ （4）由此可见，R Z 随原子核质量m Z 变化，对于不同的元素或同一元素的不同同位素R Z 值不同。
m Z 对R Z 影像很小，因此氢和它的同位素的相应波数很接近，在光谱上形成很难分辨的双线或多线。
设氢和氘的里德伯常数分别为R H 和R D ，氢、氘光谱线的波数σH 、σD 分别为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22121n R H Hσn=3,4,5 (5)⎪⎭⎫⎝⎛-=22121n R D D σ n=3,4,5… （6）氢和氘光谱相应的波长差为：)1()1()1(DH H DH H HD H D H R R -=-=-=-=∆λσσλλλλλλλ（7）因此，通过实验测得氢和氘的巴耳末线系的前几条谱线的谱长及其波长差，可求得氢与氘的里德伯常数R H 、R D 。
根据式（4）有：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∞H e Hm m R R 1/ （8） ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=∞D e D m m R R 1/（9） 其中m H 和m D 分别为氢和氘原子核的质量。
氢-氘-光-谱
氢氘光谱光谱线系的规律与原子结构有内在的了解，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。
１８８５年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻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过重要作用。
１９３２年尤里（Ｈ．Ｃ．Ｕｒｅｙ）根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素——氘的存在。
通过巴尔末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，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。
ＷＧＤ-8A型光栅光谱仪用于近代物理实验中的氢(氘)原子光谱实验，一改以往在大型摄谱仪上用感光胶片记录的方法，而使光谱既可在微机屏幕上显示，又可打印成谱图保存，实验结果准确明了。
[实验目的]1.熟悉光栅光谱仪的性能与用法。
2.用光栅光谱仪测量氢(氘)原子光谱巴尔末线系的波长，求氢(氘)的里德伯常数。
[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102Ｐａ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（4.1）式中为氢原子谱线在真空中的波长。
＝364.57ｎｍ是一经验常数。
ｎ取３，４，５等整数。
若用波数表示，则上式变为（4.2）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（4.3）式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，ｅ为电子电荷，ｃ为光速，ｈ为普朗克常数，ε为真空介电常数，ｚ为原子序数。
当Ｍ→∞时，由上式可得出相当于原0子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数)（4.4）所以（4.5）对于氢，有（4.6）这里是氢原子核的质量。
图1 氢原子能级由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线的波长，借助（4.6）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＝10973731.568549（83）ｍ－１表4-1为氢的巴尔末线系的波长表。
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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