凃逍羽 用光学多道分析器研究氢原子光谱
氢原子光谱的研究
实验二十九 氢原子光谱的研究Experiment 29 Hydrogen atom spectrum experiment氢原子光谱的研究在原子物理学的发展史中起过重要作用。
由于它是最简单、最典型、规律性最明显的一种光谱，因此最早为人们所注意，研究的也最为透彻。
实验方面进行了精细结构的探测，数据越来越精确。
理论方面则相当完满地解释了这些谱线的成因，发展了电子与电磁场相互作用的理论（量子电动力学）。
因此，本实验的操作过程对学生能力的培养无疑有较大的意义。
实验目的Experimental purpose1．测量氢光谱巴尔末线系在可见光区域的几条谱线的波长、验证巴尔末规律的正确性。
2．验算里德堡常数。
3．熟悉棱镜摄谱仪、光谱投影仪、阿贝比长仪的使用方法，并了解棱镜摄谱仪的工作原理。
实验原理Experimental principle1885年巴尔末根据实验数据发现了氢原子光谱在可见光区域内的各条谱线波长遵循下述规律4220-=n n λλ (1) 式中λ0为恒量。
当n =3，4，5，6，…时，则对应谱线分别称为H α、H β、H γ、H δ、…谱线。
继巴尔末之后，里德堡又把（1）式改写为⎪⎭⎫ ⎝⎛-=221211n R H λ (2) 式中n =3，4，5，6，…，R H =（10967758.1±0.8）m -1，称为里德堡常数。
通常取R H =1.097×107m -1即可。
氢原子光谱线中遵循上述两式规律的许多谱线组成氢光谱的巴尔末线系。
对于巴尔末线系来说，谱线的间隔和强度由长波向短波方向，以一种十分规则的方式递减，间隔越来越小。
强度越来越弱。
在巴尔末和里德堡经验公式的基础上，玻尔建立起原子模型理论，该理论能较好地解释气体放电时的发光现象。
玻尔理论认为：原子由原子核及核外电子组成，核外电子围绕原子核运动，它们可以有许多分立的运动轨道（见图1所示）。
电子在不同的轨道上运动时具有不同的能量，能量值是不连续的，是量子化的，只能取由量子数决定的各个分立的能量值。
高中物理选修课件氢原子光谱
未来发展趋势预测
高精度光谱测量技术
随着激光技术、光学干涉技术等 实验手段的不断发展，未来氢原 子光谱的测量精度将不断提高， 有望实现更高精度的光谱测量和 分析。
量子计算与模拟
量子计算与模拟技术的发展将为 氢原子光谱研究提供新的思路和 方法。通过量子计算机模拟复杂 原子体系的光谱特性，可以更加 深入地理解原子内部结构和相互 作用机制。
玻尔理论局限性
无法解释复杂原子光谱
玻尔理论只适用于氢原子和类氢离子等简单体系，对于复杂原子 光谱的解释遇到困难。
与量子力学不完全吻合
玻尔理论虽然引入了量子化的概念，但其理论与后来发展起来的量 子力学在描述微观粒子运动规律方面存在不一致之处。
无法解释原子的稳定性
根据经典电磁理论，电子绕核运动会不断辐射能量并最终坠入原子 核，但玻尔理论无法解释为何原子能够保持稳定性。
吸收光谱
当外界光子能量恰好等于氢原子基态 与激发态之间的能级差时，氢原子会 吸收该光子并跃迁至激发态，形成吸 收光谱。
氢原子光谱特点
分立性
氢原子光谱是由一系列分立的谱 线组成，每条谱线对应一个特定
的能级跃迁。
精确性
氢原子光谱的谱线位置和强度可以 精确地测量和计算，为量子力学和 原子物理的发展提供了重要依据。
量差决定。
轨道量子化假设
原子的不同能量状态与电子沿不 同的圆轨道绕核运动相对应，而 电子的可能轨道的分布是不连续
的。
玻尔理论对氢原子光谱解释
氢原子光谱的不连续性
根据玻尔理论，电子绕核运动的半径是不连续的，因此氢原子的能级也是不连 续的，从而导致氢原子光谱的不连续性。
氢原子光谱的发射与吸收
当电子从高能级向低能级跃迁时，会发射出光子，形成氢原子光谱的发射线； 反之，当电子从低能级向高能级跃迁时，会吸收光子，形成氢原子光谱的吸收 线。
多道光谱仪测光谱并光谱分析实验报告
近代物理实验实验报告实验课题：使用光学多道测量光谱与光谱分析班级：物理学061姓名：任军培学号：06180130指导老师：方允樟2008年11月21日一、摘要：本实验通过使用光学多道测量光谱了解和学会使用光学多道分析仪，并学会了通过光学多道分析仪分析氢、氮、氦、氖等光谱。
测量了氢光谱的巴尔末系中Hα、Hβ，Hγ，Hδ四种谱线的波长和里德伯常数。
二、关键词：光学多道分析器里德伯常数光谱三、引言：常用的光谱涉及的波段从X射线，紫外线，可见光，红外线，微波到射频波段。
所以光谱技术是研究物质微观结构的重要手段，它被广泛地应用于医学，生物，化学，地质考古，冶金等许多场所。
光谱实验的数据为了解原子、分子和晶体等精细结构提供了重要依据。
而光学多通道分析器是用平面光栅衍射的方法获得多级衍射光的仪器，用它可对给定波长范围的单色光进行光谱分析，与单缝，双缝衍射相比，平面光栅衍射具有衍射本领大，衍射光线亮，分辨率高等特点。
因而在特征谱线分析中有着广泛的应用。
本实验通过测量各种气体灯光的原子在可见光波段的发射光谱使大家了解光谱与微观结构（能级）间的联系和学习光谱测量的基本方法。
四、正文：1、实验原理衍射包括单缝衍射，双缝衍射和光栅衍射。
它们都可用来测量光波的波长，但由于单缝衍射，双缝衍射在各级衍射的分辨率与亮度存在矛盾，而光栅正好解决了两者间的矛盾，所以实验中大多采用平面光栅来做实验。
光栅一般分两类，一类是透射式(见图1)，另一类是反射式(见图2)。
透射式光栅是在一块平面透明的玻璃板上刻上平行，等间距又等宽的直痕，刻痕部分不透光，两刻痕间能透光，相当于狭缝。
相邻刻痕间的距离d称为光栅常数。
反射式光栅是在镀有金属层的表面上刻划斜的平行等间距刻痕，斜面能反射光。
本实验用反射式平面光栅。
图1平面透射光栅图2平面反射光栅利用现代电子技术和计算机技术接收和处理某一波长范围内光谱信息的光学多通道分析与检测系统的基本框图如图3所示。
氢原子光谱课件
(3)巴耳末公式
①公式：
1λ＝R(212－n12)(n＝3,4,5，…)
．
②意义：巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状 光谱，即辐射波长的 分立 特征．
2．思考判断 (1)氢原子光谱是利用氢气放电管获得的．(√) (2)由巴耳末公式可以看出氢原子光谱是线光谱．(√) (3)在巴耳末公式中，n 值越大，氢光谱的波长越长．(×) 3．探究交流 能否根据巴耳末公式计算出对应的氢光谱的最长波长？ 【提示】 能．氢光谱的最长波长对应着 n＝3，代入巴 耳末公式便可计算出最长波长.
2．太阳光谱是吸收光谱．吸收光谱是由高温物体发出的 白光通过低温物质，某些波长的光被吸收后产生的光谱．光 谱在连续谱的背景下有若干暗线，而这些暗线与线状谱的亮 线一一对应，因而吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征 谱线．
综合解题方略——巴耳末公式与光电效应规律的综合
处在激发态的氢原子向能量较低的状态跃迁时 会发出一系列不同频率的光，称为氢光谱．氢光谱线的波长 λ 可以用下面的巴耳末——里德伯公式表示：1λ＝R(k12－n12)， n，k 分别表示氢原子跃迁后所处状态的量子数，k＝1,2,3，… 对每一个 k，有 n＝k＋1，k＋2，k＋3，…R 称为里德伯常量， 是一个已知量．对于 k＝1 的一系列谱线其波长处在紫外光 区，称为赖曼系；k＝2 的一系列谱线其波长处在可见光区， 称为巴耳末系．
由动能定理知：Ekm＝eU， 对于赖曼系，当 n＝2 时对应的光波长最长，设为 λ1， 由题中所给公式有：λ11＝R(112－212)＝34R. 波长 λ1 对应的光的频率 ν1＝λc1＝34Rc.
对于巴耳末系，当 n＝∞时对应的光波长最短，设为 λ2，
由题中所给公式有： λ12＝R(212－0)＝14R.
氢原子光谱的研究
实验二十九 氢原子光谱的研究Experiment 29 Hydrogen atom spectrum experiment 氢原子光谱的研究在原子物理学的发展史中起过重要作用。
由于它是最简单、最典型、规律性最明显的一种光谱，因此最早为人们所注意，研究的也最为透彻。
实验方面进行了精细结构的探测，数据越来越精确。
理论方面则相当完满地解释了这些谱线的成因，发展了电子与电磁场相互作用的理论（量子电动力学）。
因此，本实验的操作过程对学生能力的培养无疑有较大的意义。
实验目的Experimental purpose 1．测量氢光谱巴尔末线系在可见光区域的几条谱线的波长、验证巴尔末规律的正确性。
2．验算里德堡常数。
3．熟悉棱镜摄谱仪、光谱投影仪、阿贝比长仪的使用方法，并了解棱镜摄谱仪的工作原理。
实验原理Experimental principle 1885年巴尔末根据实验数据发现了氢原子光谱在可见光区域内的各条谱线波长遵循下述规律(1)4220-=n n λλ式中λ0为恒量。
当n =3，4，5，6，…时，则对应谱线分别称为H α、H β、H γ、H δ、…谱线。
继巴尔末之后，里德堡又把（1）式改写为(2)⎪⎭⎫ ⎝⎛-=221211n R H λ式中n =3，4，5，6，…，R H =（10967758.1±0.8）m -1，称为里德堡常数。
通常取R H =1.097×107m -1即可。
氢原子光谱线中遵循上述两式规律的许多谱线组成氢光谱的巴尔末线系。
对于巴尔末线系来说，谱线的间隔和强度由长波向短波方向，以一种十分规则的方式递减，间隔越来越小。
强度越来越弱。
在巴尔末和里德堡经验公式的基础上，玻尔建立起原子模型理论，该理论能较好地解释气体放电时的发光现象。
玻尔理论认为：原子由原子核及核外电子组成，核外电子围绕原子核运动，它们可以有许多分立的运动轨道（见图1所示）。
电子在不同的轨道上运动时具有不同的能量，能量值是不连续的，是量子化的，只能取由量子数决定的各个分立的能量值。
用光学多道分析器(OMA)研究氢原子光谱
用光学多道分析器(OMA)研究氢原子光谱
马厂
【期刊名称】《读写算（教研版）》
【年(卷),期】2012(000)015
【摘要】使用光学多道分析器(OMA)测定了氢原子巴尔末系中Hα、Hβ、Hγ、Hδ谱线的波长，并利用所测的波长通过Origin 拟合计算出氢原子的精确的里德伯常量。
【总页数】1页(P262-262)
【作者】马厂
【作者单位】湖北理工学院,湖北黄石435000
【正文语种】中文
【中图分类】G307
【相关文献】
1.改善光源光谱特性提高光学多道分析器用于吸收光谱测量的信噪比
2.光学多道分析仪（OMA）时间分辨光谱分析
3.教学型CCD光学多道分析器及其在光谱实验中的应用
4.光学多道分析仪（OMA）与条纹相机互连测量皮秒时间分辨光谱
D光学多道分析器及其在光谱数据采集中的应用
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氢原子光谱的观察与测定
111实验5-10 氢原子光谱的观察与测定每一种原子都有其特定的线状光谱。
光谱分析是鉴别物质成分及物质含量的有效手段。
氢原子的光谱最为简单，且具有明显的规律。
测定氢原子可见光谱线的波长对认识原子的分离能级、以及光谱规律有重要作用。
本实验用读谱仪测量氢原子可见光谱的波长，并通过巴耳末公式推算出氢原子的里德伯常数。
【实验目的】1．观察氢原子的可见光谱。
2．了解读谱仪的结构，掌握读谱仪的调节与使用方法。
3．通过测量氢原子可见光谱线的波长，验证巴耳末公式。
4．测定氢原子的里德伯常数。
5．理解曲线拟合法的意义。
【实验器材】WPL-2型读谱仪、氢灯、氦氖灯、会聚透镜。
【实验原理】 一、氢原子光谱线公式 氢原子光谱的实验公式为⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22111n kR H λ （5-10-1） 式中的H R 叫做里德伯常数，其实验值为1013.0306.10967758-±=m R H ）（实。
氢原子光谱系如表5-10-1。
玻尔认为，氢原子之所以发光，是因为氢原子中的电子可以处在不同的能态（能级）上，当电子从高能级向低能级跃迁时，就发出光线。
玻尔推出了氢原子光谱的理论公式⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22223204111181n kR n k c h me H 理ελ（5-10-2） 里德伯常数的理论值为.H R m -=110973731534理。
本实验测定在可见光谱内巴耳末系的氢红线（对应32==n k 、）的波长。
二、曲线拟合法在式（5-10-1）和式（5-10-2）中，不同的k 对应不同的线系，不同的n 对应同一线系中不同的谱线。
注意到谱线位置的测量值是相对的，所以必须用已知波长的谱线作为基准。
在本实验中的基准是氦氖灯的谱线。
实验方法是先分别通过目镜观察氦氖谱线和氢谱，然后112 用读数显微镜测出氢红谱线（波长为H λ）及其两侧近邻的（已知波长分别为1λ和2λ）氦氖谱线的位置1y 、H y 和2y 。
光学多道与氢氘同位素光谱
光学多道与氢氘同位素光谱
首先，光学多道谱仪是一种用于测量光谱的仪器。
它通过将光分散成不同波长的组成部分，并将其定量地记录下来，从而提供了有关光的能量分布和波长特性的信息。
光学多道谱仪通常由光源、入射系统、分光系统、检测器和数据处理系统等组成。
它可以用于研究物质的吸收、发射、散射等光学性质，从而揭示物质的结构和特性。
氢和氘是两种同位素，它们的原子核中分别含有一个质子和一个中子，或一个质子和两个中子。
由于氢和氘的核结构不同，它们的光谱特性也有所不同。
氢氘同位素光谱研究主要关注氢和氘在光谱中的吸收、发射、散射等现象，以及它们与其他物质相互作用的过程。
在研究氢氘同位素光谱时，可以使用光学多道谱仪来记录氢和氘的光谱信息。
通过测量氢氘光谱的特征峰的位置、强度和形状等参数，可以获得有关氢氘同位素的结构、能级和相互作用等信息。
这对于理解原子和分子的性质、反应机制以及物质的动力学过程具有重要意义。
此外，研究氢氘同位素光谱还可以应用于其他领域。
例如，在
天文学中，通过观测氢氘同位素的光谱可以研究星系、星际介质和
宇宙的演化过程。
在化学和生物化学中，氢氘同位素标记技术被广
泛应用于研究分子结构、代谢途径和药物代谢动力学等方面。
总结起来，光学多道与氢氘同位素光谱是一个涉及到光学和原
子物理的研究领域。
通过使用光学多道谱仪来记录氢氘光谱的信息，可以获得有关氢氘同位素的结构、能级和相互作用等重要信息。
这
对于理解物质的性质、反应机制以及宇宙的演化过程具有重要意义。
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用光学多道分析器研究氢原子光谱
凃逍羽
武汉大学 物理科学与技术学院 物理学基地1班 学号：2011301020019
摘要：使用光学多道分析器测定氢原子巴尔末系中H αH βH γH δ波长，并利用所测的波长拟合计算出氢
原子的里德伯常量。
关键词：光学多道分析器 氢原子光谱 巴尔末系 里德伯常量
the Study of Hydrogen Atomic Spectrum with
Optical Multichannel Analyzer
Tu Xiaoyu
Wuhan University Physical science and technology academy Basic physicsclass 2011301020019 Abstract: By using the OMA, this article will measure out the wavelength of
H αH βH γH δ in the Balmer
spectrum, and work out the Rydberg constant of hydrogen atom by using the wavelength above.
Keywords: Optical Multichannel Analyzer, Hydrogen atom spectrum, Balmer spectrum, Rydberg constant
0.引言：
下图为氢原子的能级图．根据玻尔理论，氢原子的能级公式为：
（34-1）
式中称为约化质量，m e 为电子质量，M 为原子核质量．氢原子的等于1836.15。
电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量h ν为两能级间的能量差
如以波数
表示，则上式为
()()
()()E m E n T n T m hc
σ-=
=-
221
1H R n m ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
式中R H 称为氢原子的里德伯常数，单位是m -1
，T(n)称为光谱项，它与能级E(n)是对应的．从R H 可得氢原子各能级的能量
式
中
-
4
.-1
h=eV s m s c ⨯
⋅=
⨯⋅
从能级图可知，从3≥m 至2n =的跃迁．光子波长位于可见光区．其光谱符合规律
这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系
．
1. 实验原理：
由于H α线波长为656.28nm ，H δ波长为410.17nm ，波长间隔246nm 超过CCD 一帧159nm 范围，无法在同屏中观察到，故需分两次观察测量。
第一次测量H βH γH δ三条线，第二次单独测量H α线。
第一次测量使用汞灯的546.07nm （绿光）、435.84nm （蓝光）、404.66nm （紫光）三条谱线作为标准谱线手动定标；第二次用汞灯的546.07nm （绿光）、576.96nm （黄光）、579.07nm （黄光）及三条紫外光的二级光谱线312.567×2=625.13nm 、313.17×2=626.34nm 、334.17×2=668.34nm 来定标。
2. 实验步骤：
1) 将多色仪起始波长调到390nm ，入射狭
缝1S 宽度调为约0.1mm ，调节时注意不要将狭缝调得过窄以致难以将狭缝分开。
2) 以笔形汞灯作为光源，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上可观察到清晰明亮的水银谱线。
3) 转动4M 使光谱照到CCD
上，在软件界
面上观察谱线图像，若谱线无明显峰值，则应继续调节L、S与多色仪相对位置直至出现明显峰值，调节入射狭缝，使谱线变锐，设置合适的曝光时间、
平均次数、累加次数、最大最小值，截
图获得清晰尖锐的光谱图。
4)选择线性定标，用汞灯的三条标准光谱
线手动定标，使横坐标表示波长（nm）。
第一次定标（线性定标）
5)改用氢灯，转动
4
M，使谱线成像在观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强
度最强
6)转动
4
M使光谱照到CCD上，将中心波长设定为460nm在软件界面上观察谱线
图像，若谱线无明显峰值，则应继续调
节L、S与多色仪相对位置直至出现明
显峰值，在定标后的图上使用寻峰功能
找到HβHγHδ三条线对应波长记录
下
7)将多色仪起始波长设定为650nm，选择
二次定标，用汞灯的三条标准谱线和紫
外光的三条二级谱线手动定标，使横坐
标表示波长（nm）。
第二次定标（二次定标）
8)改用氢灯，转动
4
M，使谱线成像在观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强
度最强
9)转动
4
M使光谱照到CCD上，在软件界面上观察谱线图像，若谱线无明显峰
值，则应继续调节L、S与多色仪相对
位置直至出现明显峰值，在定标后的图
上使用寻峰功能找到Hα谱线对应波长
记录
3. 实验结果
H
β
H
γ
H
δ
三条线对应图中1，2，3号谱线
图中即为Hα谱线对应波长
以δ为纵坐标211
4m
-为横坐标经过Origin
拟合后 B
A
可见斜率即为里德伯常量
7H R =1.10214710⨯相对误差为0.435％
参考文献：周殿清主编.2009.基础物理实验 北京.科。