1-1 氢(氘)原子光谱
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
试验原理1氢氘原子光谱氢原子光谱的规律氢光谱由许多谱线
实验原理1、 氢、氘原子光谱(1) 氢原子光谱的规律氢光谱由许多谱线组成，其中巴耳末线系的规律可表示为)121(122nR H -=λ (1.1) 式中，λ为谱线波长，H R 为氢的里德伯常数，n=3,4,5,……巴耳末线系是本实验拍摄和研究的对象．对应于n =3，4，5，…的谱线分别称H α，H β，H γ……它们的波长间隔、谱线强度都随n 的增大而有规律地减小．(2) 氢、氘原子光谱的异同设氢核质量为M H ，同位素氘核质量为M D ．它们的里德伯常数R H 和R D 分别为mM M R R H H H +=∞ (1.2) mM M R R D D D +=∞ 其中，m 为电子质量，R ∞是认为原子核质量无限大时的里德伯常数．以λH 和λD 代表对应于同一n 值的氢和氘谱线的波长，则巴耳末系可表示为)121(122n R H H-=λ )121(122n R D D -=λ (1.3) 由于M D ≠M H ，由式(1.2)知R D ≠R H ，则式由(1.3)可知，对同一n 值，λD ≠λH ．可见，氢、氘原子光谱既有如式(1.3)所示的相同规律，对同一n 值，波长λH 和λD 又有差异．只是其差值一般都小于0.2nm ．所以在谱片上氢、氘谱线总是靠得很近．(3) 关于M D /M H ,由式（1.2）知)/()/(m M M m M M R R H H D D H D ++= 从中解得mM R R R R M M H H D H D H D /)1/(1/--= （1.4） 由式(1.3)知，R D /R H ＝λH /λD ，故式(1.4)可化为mM M M H H D H D H D /)1/(1/--=λλλλ （1.5） 取M H /m ＝1836，对每一对氢氘谱线测得λH 和λD ，由式(1.5)即可求得M D /M H ．2 测算波长波长无法直接测量，需要寻找一个与波长有关又能直接测量的量． (1) 光栅光谱的特点 光栅摄谱仪的色散率d λ/d l 几近常数．两谱线波长差和距离成正比．这一特点将谱线的波长和谱线的坐标联系在一起．谱线在谱片上的坐标正是一个与波长有关又能直接测量的量．由谱线坐标即可推算其波长．(2) 线性内插法图1.1为光栅摄谱仪拍得的三条谱线．其中左右两条的波长λ1，λ2为已知，且λ2>λ1，中间谱线的波长λ待求．若能测定三条谱线的坐标x 1、x 和x 2，根据光栅光谱的特点应有111212x x x x --=--λλλλ从中解出)(112121x x x x ---+=λλλλ （1.6）由式(1.6)知：在谱片上，对任何一条未知波长的谱线，只要在其周围找到两条波长λ1和λ2已知的谱线，并测定三者的坐标x 1，x 和x 2即可推算出未知波长λ．实验中，常将铁谱和待测谱线上下并排拍在一张谱片上，每条铁谱的波长都可由特制的光谱图查得．应用式(1.6)的条件是波长λ和坐标x 有线性关系．若二者只在很小的范围内接近线性关系，如棱镜摄谱仪拍得的谱片，则在｜x 2-x 1｜较小的条件下也可应用．此时应在待测谱线两侧适当小的范围内选取已知波长的谱线．这就是在光谱实验中经常用以计算波长的“线性内插法”．实 验 装 置平面光栅摄谱仪,交流电弧发生器,氢氘灯,铁电极,阿贝比长计,光谱投影仪和光谱图．(1) 光路原理一般平面光栅摄谱仪的光路如图1.2所示．图中,M 1，M 2是同一大凹球面反射镜的下、上两个不同框形部分．光源A 发出的光，经三透镜照明系统L 1,L 2,L 3后均匀照亮狭缝S ，通过S 的光经小平面反射镜N 反射转向π/2后射向M 1，因S 由N 所成的虚像正好处在M 1的焦面上，所以狭逢上一点S 发出的光经M 1反射后成了微微向上射出的平行光，并正好射到N 后上方的平面反射光栅G 上．G 把入射光向M 2方向衍射．M 2把来自不同刻纹的同一波长的平行衍射光会聚成一点S λ’， S λ’正好落在照相胶版B 上．G 相邻刻纹的衍射光传播到S λ’的程差δ＝d (sin i +sin θ)，图 1.1式中d是光栅常数，I,θ分别是入射光、衍射光相对于G的法线的夹角，sinθ取+号是因为θ，i在法线的同侧．显然，Sλ’要是个亮点，必须δ＝kλ，于是得光栅方程d(sin i+sinθ)＝kλ，式中λ是光波波长，k=0¸±1, ±2,…叫衍射级．除０外，对同一k，因i相同而λ不同则θ将不同，也就是不同波长的像点Sλ＇将落在B的左右不同位置，成为一个单色像Sλ＇．狭缝S是连续的点的集合，所以Sλ＇是一条亮线．对同一k，A发出的所有波长所形成的所有单色像构成A的光谱，用胶版B就可以把它们拍摄下来．图 1.2（2）中心波长和光栅转角的关系．Sλ＇落在B中心线附近的波长λB叫中心波长．显然，这时θ＝i，对1级谱，光栅方程变为２d sin I＝λ0，所以中心波长λ0和i有—一对应关系．光栅安装在一个金属齿盘上，盘底的轴插在机座的轴套上，盘边有一蜗杆和齿轮啮合，蜗杆用一连杆和机壳外的手柄联结；转动手柄就可以转动光栅，并在手柄边上可以读出光栅转角i．仪器色散能力较大，一次摄谱B只能容下相差约100nm的波长范围，所以拍摄不同波段的光谱时，必须把光栅转到相应的i角位置．（3）谱级分离．设B上某点δ=600nm，对λ1=600nm的光波，k=1，得到了加强；对λ2=300nm 的光波，k=2，也得到了加强．这样在B上δ=600nm处出现的谱线，就无法确定它是λ1还是λ2，这叫谱级重叠．但λ2是紫外光，它不能透过玻璃，在狭缝前放一无色玻璃作为滤色片，所有紫外光便都到不了B，从而简单地实现了1级可见光谱和2级紫外光谱的分离，滤色后在δ=600nm处出现的谱线一定是λ1．（4）拍摄比较光谱的操作原则．谱线是狭缝的单色像．让12mm高的狭缝全部露出来被光照亮，可得到12mm 高的一系列谱线；让上端6mm露出，就得到上端6mm高的谱；让下端6mm露出，就得到下端6 mm高的谱．设想用Na（钠）黄光照亮S，先让上端6 mm露出摄谱后，保持胶版B和光栅转角i都不动，再换为下端 6 mm摄谱．这样摄得的4条谱线，一定是后二条在前二条的延长线上，因为它们只是同一狭缝上、下二段成像先后不同而已．Na黄双线的波长大家都很熟悉，由此我们推想：把先摄下的二条谱线看成波长未知的被测谱线，后二条看成“波长标尺”上波长已知的二条刻度线，显然测得的结果非常准确．由此得出操作原则：拍摄互相比较的两列光谱时，不能移动胶版，不能转动色散元件，只能在换光源后换用狭缝的相邻部位摄谱．换用狭缝的不同部位很简单，狭缝前有一金属薄圆盘，叫哈特曼光栏盘，盘上不同位置开了不同高度的方孔，转动盘子让狭缝在所需的孔中露出就行了．“波长标尺”也现成，Fe(铁)的光谱线相当丰富，波长都已知，把Fe的光谱拍在被测光谱的旁边，也就相当于摆上了一把“波长标尺”．Fe光谱可以用电弧发生器激发．(5) 氢氘光谱灯．氢氘光谱灯（或放电管）内所充的纯净氢氘气体，在高压小电流放电时分解成原子并被激发到高能态，在跃迁到低能态的退激过程中发出原子光谱．。
氢氘光谱实验PPT
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:
氢原子光谱
氢（氘）原子光谱侯建强（南京大学匡亚明学院理科强化部2010级，学号：101242015）1.引言光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，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。
2.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。
3.实验原理1.氢原子光谱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4220-=n n H λλ （1）式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。
λ0＝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⎪⎭⎫ ⎝⎛-==221211~n R v H H H λ （2）式中ＲH 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)/1()4(2320242M m ch z me R z +=πεπ （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，ε0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子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数)320242)4(2ch z me R πεπ=∞ （4）所以错误!未找到引用源。
（5） 对于氢，有)/1(H H M m R R +=∞（6）这里ＭH 是氢原子核的质量。
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。
氢氘原子实验教案
课题氢氘原子光谱教学目的 1．通过测量氢和氘谱线的波长，计算氢和氘的原子核质比以及里德伯常量2．掌握光栅光谱仪的原理和使用方法并学会用光谱进行分析。
重难点 1．光栅光谱仪的原理及使用方法；2．光栅光谱仪的调节。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时 5个学时一、前言18世纪中叶有人已发现炽热气体的火焰发出的光谱是线状光谱是线状光谱，随后发现各种元素的受激原子发出的发射光谱或白光被原子气吸收时产生的吸收光谱也都是线状光谱。
到了19世纪末，分辩本领较大的衍射光栅出现以后，基尔霍夫首先指出一定元素的原子只能发射或吸收一些该元素特定频率的谱线。
一定元素的原子光谱线的排列具有明显的规律性，它反映了原子及其电子壳层结构的特性。
因此研究原子光谱的规律是了解原子结构的重要手段之一。
氢原子光谱是在所有原子光谱中最简单、最基本的光谱。
它有5个相互独立的光谱线系，即赖曼（Lyman）系、巴尔末（Balmer）系、帕邢（Paschen）系、布拉开（Blackett）和普丰特每个线系中，各条谱线的强度和相邻谱线的间隔都向短波长方向有规律地递减。
在氢、氘原子光谱实验中，可以观察到由同位素效应引起的氢、氘原子光谱的巴尔末系前6条氢谱线的波长，并采用适当的辅助手段和个别常量，就能测得与公认值符合得很好的许多基本物理；如氢的巴尔末系的线系限，氢的里德伯常数，电离电势和电子的荷质比e/m等等，本实验还为我们提供了一些微观量的测定方法。
拍摄氢、氘原子光谱可以使用平面光栅摄谱仪，它是光谱实验常用仪器之一。
应在了解其基本结构、工作原理的基础上，学会正确的使用方法。
二、实验原理1．巴尔末公式与里德伯常数氢原子光谱的巴尔末线系的可见光波段有条比较明亮的谱线，如图（1-1）所示。
表1-1 氢原子光谱谱线的规律性，促使人们去寻找一个表示这些谱线波长的以验公式。
1885年巴尔末提出经验公式，表示这些谱线的波长大小：nmn n 456.36422-=λ式是 6,5,4,3=n 正整数。
氢氘光谱
实验内容：（1）打开光谱仪控制箱电源和微机电源，依据显示器上的提示，选择“光电倍增管”（光电倍增管的负高压分为手动调节和半自动调节两类），具体调节因测量光谱类别的不同而不同。
（2）阅读光栅光谱仪的使用说明书，理解光谱仪的工作原理和工作方式。
（3）选择合适的实验参数，获得Hg光谱。
（手动调节时负高压取380~520V左右，半自动时置为1~8），然后读取Hg光谱的峰值，并记录Hg光谱各标准波长值。
（4）谱线的定标和测量以Hg光谱为基准，进行波长测量值的修正。
可以做Hg光谱标准波长与其对应的测量波长的关系拟合图，从而获得对光谱仪测得的光谱波长的修正公式。
（5）选择合适的实验参数，获得氢氘光谱点燃氢氘灯，选择合适的工作状态，运行软件，获得氢氘巴尔末线系在可见光范围内的4对谱线（谱线波长在400nm~660nm之间），测量氢氘巴尔末线系在可见光范围内的各波长值；根据光谱波长修正公式，修正氢氘光谱波长值，计算里德伯常数值。
实验数据处理与分析：1.利用Hg光谱数据对光谱仪定标为了得到清晰准确的Hg光谱，实验中对光谱仪的相关参数设定如下：测量间隔：0.02nm光谱的起始波长：350.00nm 终止波长：600.00nm道址的最大值：1000.0 最小值：0.0光电倍增管的负高压：6光电倍增管的增益：1设定以上参数的光谱仪可以获得Hg光谱，由原始数据可得Hg光谱中各个峰值对应的谱线波长，同时与实验中给出的标准值比较，整理得下表一：表一：Hg光谱中各波峰对应谱线波长的实验测量值与标准值利用origin 可以做出Hg 光谱中各谱线波长的实验测量值与标准值的关系曲线，同时线性拟合就能得到该光谱仪测得的谱线波长的修正公式，从而对光谱仪定标。
其中做出的Hg 光谱中各谱线波长的实验测量值与标准值的拟合直线图见下图一：图一：Hg 光谱各谱线波长的实验测量值与标准值的拟合直线图350400450500550600350400450500550600谱线波长的测量值λ'(nm)谱线波长的标准值λ（n m）利用origin 自带的直线拟合功能可以得到该拟合直线的方程：Linear Regression for Data1: λ= A + B * λ’Parameter Value Error A -0.265840.04988B 1.00054 1.08928E-4所以由图一可以得到光谱仪测量修正公式为： 测得的谱线波长修正值'00054.126584.0λλ⨯+-= （1）（其中'λ为光谱仪测量得到的实验值）2.对氢氘光谱的测量和数据处理为了得到清晰准确的氢氘光谱，实验中对光谱仪的相关参数设定如下：测量间隔：0.01nm光谱的起始波长：405.00nm 终止波长：660.00nm 道址的最大值 ：1000.0 最小值 ：0.0 光电倍增管的负高压 ：6 光电倍增管的增益 ：2设定以上参数的光谱仪可以获得氢氘光谱，由原始数据可得氢氘光谱中各个峰值对应的谱线波长，同时利用之前测得的光谱仪测量修正公式----式（1）可以对每条谱线波长修正，将测量值与修正值整理得下表二：表二：氢氘光谱中各波峰对应谱线波长的实验测量值与修正值由表二可以发现，这八条谱线的波长可以分为四组相近的双线波长，由实验原理知每一组双谱线都由同一能级的氢与氘激发所产生的。
实验氢-氘原子光谱
实验氢-氘原子光谱原子光谱的测定与分析，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。
1885年巴尔末（J. J. Balmer ）总结出了氢光谱线的经验公式。
1913年玻尔（N. Bohr ），1925年，海森伯（W.Heisenberg ）建立起他们的理论都是建筑在原子光谱的测量基础之上的。
现在，无论在工业生产部门还是在科学研究领域，原子光谱的观察、测定和分析都是研究原子结构、物质分析的重要方法之一。
在物理学、化学化工、材料、生命科学领域内有广泛的实际应用。
一 实验目的1．掌握WPG-100型平面光栅摄谱仪的工作原理和使用方法，学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术。
2．通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长（误差小于0.5Å），验证巴耳末公式并准确测出氢（氘）的里德伯常数。
3．测量氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。
二 实验原理1．原子的激发与辐射原子内部的不同能量状态称为能级。
处于基态的原子可以吸收能量而跃迁到较高的能量状态，这个过程称为原子的激发。
原子也可以从较高的能级退到较低的能级或基态而放出能量，如果放出的能量取辐射形式，那么放出的能量就成为一个光子的能量hv ，这个过程称为原子的辐射。
要使原子发光必须先将它激发，原子激发的方式通常分为碰撞激发和光激发两种。
具有一定能量的电子、原子、分子与某原子相碰撞而使后者激发称为碰撞激发；原子吸收一个光子引起的激发称为光激发，即光的吸收过程。
本实验采用碰撞激发，它又分为热激发和电场引起的碰撞激发两种形式，前者指在高温下各原子有较大的运动速度，相互碰撞而产生激发，本实验的铁光谱就是这种方式产生的。
电场引起的碰撞激发是带电粒子在电场作用下加速运动，与原子发生非弹性碰撞使原子激发，氢（氘）光谱就是采用这种方式产生的。
2．氢原子光谱的实验规律早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可用一个普通的公式表示，即⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2211~n mR v （1）其中：m 取1、2、3、4、5等正整数，每一个m 值对应一个光谱线系，如当m=2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n 取m+1、m+2、m+3、…等正整数，每一个n 值对应一条谱线；R 称为里德伯常数。
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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。
氢原子光谱对原子物理学的早期发展做出了特殊的贡献。
到1885年，从星体的光谱中共观察到14条氢原子的谱线，瑞士数学教师巴尔末发现这些谱线的波长λ可以纳入一个统一的公式422-=n n B λ（n = 3，4，5，…）， （1.1.1）B 为常数。
这14条谱线称为巴尔末线系。
为了更清楚地表明谱线分布规律，瑞典物理学家里德伯将巴尔末公式改写成如下形式⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==22111~n mR H λγ（n = m +1，m +2，m +3，…） （1.1.2）式中γ为波数，R H 称为氢的里德伯常数。
对每一个整数m ，所有的n 形成一个线系。
对于巴尔末线系，m = 2。
随后发现的赖曼线系（m = 1）、帕刑线系（m = 3）以及其他线系都符合里德伯公式。
丹麦科学家波尔受巴尔末公式以及普朗克量子学说的启发，以卢瑟福的有核原子模型为基础，建立了氢原子理论。
根据波尔理论，原子的能级是量子化的，即具有能级。
每条发射光谱线都是原子中的电子从一个较高的能级跃迁到另一个较低的能级而释放能量的结果。
经过推导，对巴尔末系有⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=2232042121)/1()4(2~n M m c h me πεπγ，n = 3，4，5，… （1.1.3）式中e 为电子电荷，h 为普朗克常数，c 为光速，m 为电子质量，M 为氢原子核质量，ε0为真空介电常数。
将（1.1.3）与（1.1.2）式比较，可得里德伯常数为)/1()/1()4(232042M m R M m c h me R H +=+=∞πεπ （1.1.4） 其中R ∞代表将原子核的质量视为无穷大（即假定核固定不动）时的里德伯常数。
同理，根据巴尔末公式，对氢的同位素氘有⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==221211~n R D λγ，n = 3，4，5，… （1.1.5） 测量元素及其同位素的里德伯常数，是对元素及其同位素的光谱进行分析的重要环节。
用光谱仪测量出谱线的波长，识别出各自的n ，就可以计算出里德伯常数。
氢、氘原子光谱巴尔末线系的波长及里德伯常数公认值见表1.1.1。
表1.1.1 氢和氘巴尔末线系原子光谱的波长及里德伯常数三、实验装置本实验使用WDS-8A 型组合式多功能光栅光谱仪系统测量光谱，用氘灯作为光源，用光学平台进行减震。
光谱仪采用反射式闪耀光栅作为分光元件，如图1.1.1所示，相邻刻槽间的距离d 称为光栅常数。
考虑从相邻刻槽的相应点上反射的光线，QQ ′的长度为d ，入射光线PQ 和P ′Q ′的入射角为i （与光栅法线的夹角），衍射光线QR 和Q ′R ′的衍射角为i ′。
PQR同位素氢 氘 λ（nm ）αβγ δε656.280 486.133 434.047 410.174 397.007 656.100 485.999 433.928 410.062 396.899 R H(D)（×105 cm -1） 1.09677581.0970742R ∞（×105 cm -1）1.0973731和P ′Q ′R ′这两条光线的光程差为d (sin i + sin i ′)。
当光程差满足光栅方程λk i i d ='+)sin (sin ，k = ±1, ±2, … （1.1.6） 时，光强为极大。
对同一级（同一k ）亮条纹，根据i 和i ′就可以确定衍射光的波长。
闪耀光栅将同一波长的衍射光集中到某一特定的级i 上，增强了衍射光强度。
为提高闪耀光栅的分辨本领，即增大不同波长入射光的衍射角度的差值，需要减小光栅常数。
图1.1.1 闪耀光栅示意图WDS-8A 型组合式多功能光栅光谱仪系统由光学系统、电子系统和软件系统三部分组成，结构框图及实物照片见图1.1.2所示。
图1.1.2 WDS-8A 型组合式多功能光栅光谱仪系统电子系统 软件系统QQ'ii'i i'PP'RR'光学系统光谱仪光学系统的原理如图1.1.3所示。
其中，M1为准光镜、M2为物镜、M3为转镜、G为1200 lines/mm平面衍射光栅（由此可以确定光栅常数d）、S1为入射狭缝。
通过旋转M3来选择出射狭缝是S2或S3，从而选择接收器件类型。
S2前方安装的是光电倍增管（PMT），而S3位置安装的是电荷耦合器件（CCD）摄像头。
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M1的焦面上，通过S1射入的光束经M1反射成为平行光束投向平面光栅G，衍射后的平行光束经物镜M2成像在S2处，或经物镜M2和平面镜M3成像在S3处。
光栅的闪耀波长为250 nm（= 2d sinθ，θ是光栅法线与槽面法线之间的夹角，称为闪耀角），PMT和CCD的探测波长范围分别为200 - 660 nm和320 - 660 nm。
系统的波长精度为±0.4 nm，波长重复性为±0.2 nm。
狭缝宽度连续可调，但为了安全，一般限定在0.01 - 2 mm范围内使用。
用步进电机驱动平面光栅G旋转，根据旋转的角度就可以确定接受信号对应的波长。
本实验用PMT进行光谱测量。
电子系统主要由电源系统、接收系统、信号放大器系统、A/D转换系统和光源系统等5部分组成。
电源系统为仪器提供所需的工作电压。
贴近出射狭缝的接收系统将光信号转换成电信号。
信号放大器系统包括前置放大器和放大器两部分。
A/D转换系统将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行处理。
光源系统为仪器提供工作光源，如氘灯、钠灯等各种光源。
除了狭缝宽度和光电倍增管高压需要手动进行调节，WDS-8A型多功能光栅光谱仪的其他控制和光谱数据读取均由计算机来完成。
软件系统的主要功能包括仪器系统复位、仪器系统各种控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数据文件管理及光谱数据的各种计算处理等。
图1.1.3 光学系统原理图仪器测量或平常不使用时，要将狭缝宽度调节到0.1 - 0.5 mm之内的安全范围。
狭缝宽度完全调到0，会使狭缝的两边挤压在一起，容易引起变形（实验中也要注意不可以调节为0，更不能为负）；狭缝宽度过宽，则进入光谱仪的光强太强，容易损坏敏感元件。
操作中需注意对仪器防震以减小测量的误差和保护仪器（保证仪器的性能指标和延长使用寿命）。
在每次开机前，可以先将入射狭缝宽度、出射狭缝宽度分别调节到0.1 mm左右，待仪器系统复位完毕后，再根据测试和实验的要求分别调节入射狭缝和出射狭缝到合适的宽度。
仪器的入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，顺时针方向旋转调解旋钮为宽度加大方向。
每旋转一周狭缝宽度变化0.5 mm。
最大狭缝宽度不要超过2 mm，以延长设备的使用寿命及保证PMT的测量精度。
在氘原子光谱实验中，入射缝宽不需要超过1 mm，高压在-300 V到-500 V范围。
电控箱包括电源、信号放大、控制系统和光源系统。
在运行仪器操作软件前一定要先打开电控箱的开关，否则不能保证计算机能够识别光谱仪硬件。
软件通过快捷键和下拉菜单来操作仪器。
常用快捷键有新建、打开、存盘、打印、采集、参数设置、读取数据、峰值检索、刻度扩展、检索中心波长、放大、缩小、屏幕刷新等。
主菜单有五项：文件、采集、数据处理、系统操作和帮助。
四、实验内容小心地揭开防尘布（防止碰倒光源和松脱连线），折叠好后放在安全的地方。
熟悉设备实物后，检查系统电路的连接，选择PMT 探测器（光学系统箱左侧面CCD 头下面的推拉杆，决定M 3是否加入光路，见图1.1.4中的CCD/PMT 选择），确认狭缝的宽度在安全范围内（0.1 - 0.5 mm 之间）后，按以下步骤进行操作。
图1.1.4 光缝调节和CCD/PMT 选择1．开启氘灯源，进行预热，以便使光源发光稳定。
2．按如下顺序开启光谱仪电源：开显示器→开打印机→开电气系统→开微机主机。
打印机不用可以不开。
3．运行使用PMT 探测器模式的系统操作软件，系统开始进行初始化。
4．手动调整好PMT 高压（一般小于400 V ，可以从300 V 左右开始）和缝宽（包括入射和出射两个狭缝），记入表1.1.2（实验报告中自行将此表改为三线表）。
5．在微机上设置系统参数，使测量的起止波长为最宽的200 - 660 nm 、光强（能量）的显示范围为最大的0 – 4095（对应起始能量和终止能量，只代表A/D 转换器采集到的相对能量值，没有单位）、扫描速度为较快的0.5 nm （数值代表波长的取点间隔，即步长）等。
开始光谱扫描，得到粗略的光谱（PMT 高压过低可能找不到谱线，这时要加高电压后重新测量）。
改变系统参数中的显示光强最大值，使谱线高度合适，点“选取数据”找出并记录3条巴尔末系谱线的粗略波长（可以将谱线打印出来，在图上标记）。