原子光谱 实验报告

近代物理实验报告

指导教师： 得分：

实验时间： 2010 年 05 月 05 日， 第 十 周， 周 三 ， 第 5-8 节

实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜

同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙

实验地点： 综合楼 408

实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压

实验题目： 原子光谱实验

实验仪器：（注明规格和型号）

WGD-6光学多通道分析仪，GY-8型多组放光灯 实验仪器结构图如右所示：

实验目的：

1. 了解光谱的产生和一种现代光谱的测量方法。

2. 掌握测量里德伯常量的方法，并加深对氢光谱规律的理解。

3. 理解氮，氦，氖的光谱结构。

实验原理简述：

光谱的定义：光的频率成分和强度分布的关系图。它是研究原子结构的重要途径之一。牛顿在1704年就说过了如果要了解物质的内部情况，只要看其光谱就可以了。

光谱的测量：光谱是用光谱仪测量的。光谱仪的种类很多，但基本结构和原理几乎一样，大都由3部分组成：光源，分光器和记录仪。

1885年，人们从光谱仪中观察到氢光谱线已经14条。同年，巴耳末在对这些线谱进行分析研究后，提出1个经验公式，依此可以计算可见光区的谱线的波数

....5,4,3),1

21(41

22~

=-=

=

n n B λ

ν

式中，B=364.56是个常数。根据上式计算波长的数值在实验范围内预测到得数值完全一致，后人称上式为巴耳末式，从而将它所表达的一组线谱（均落在可见区域）成为巴耳末系。

1889年里德伯提出1个普遍方程：

)()(11

1

`2`2~

n T n T n n

R H -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==

λν 这就是里德伯方程，氢的所有谱线都可以用这个方程表示，R H =4/B 称为里德伯常量，在此也是经验参数，式中，n=1，2，3…时，对于每个n 构成1个线系，例如：

n=1，n ‘

=2，3，4…,此光谱处于紫外区，1914年有莱曼发现称为莱曼系。

n=2，n ‘

=3，4， 5，6…此光谱线处于可见光区，称为巴尔末系（1885年），其中最著名的红色线

)3,3.656(`==n H λα是瑞典人埃格斯特朗在1853年首先测到的。

n=3，n ‘

=4，5，6，7…，光谱线处在红外区，1908年由帕刑发现的，称为帕刑系。

n=4，n ‘

=5，6，7,8…，光谱线处于红外区。1922年布拉发现的，称为布拉系。

从里德伯方程中可知，氢的任一谱线都可以表达为两个光谱项之差，氢光谱是各种光谱项差的综合。表面如此繁复的光谱线竟然由上式简单的表述出来。这是一项出色的成果，但这项经验之果为什么能与实验事实符合的如此之好，在30年后，这个谜由波尔把量子学说引入卢瑟福模原子核式模型得到揭晓，原子物理也从此展现新的篇章。

1913年，丹麦物理学家玻尔突破了经典物理学的局限，提出他的氢原子理论，其主要内容为：

1. 原子只能处于一系列不连续的能量状态，在每个状态中，原子的能量都是确定的，这些能量值叫做

能级。

2. 原子可以从一个能级跃迁到另一个能级，原子在由高能级向低能级跃迁时，放出一个光子；在吸收

一个光子或通过其他途径获得能量时，则由低能级向高能级跃迁。

如下图所示，氢原子光谱是最简单，最典型的原子光谱。

用电激发氢放电管中的稀薄氢气，即可得到线状的氢原子光谱。

根据玻尔理论，氢原子的能级公式为

...

3,2,1,1

8)(22204=•-=n n

h e n E εμ

式中，)1M m m e e +=μ称为约化质量，m e 为电子质量，M 为原子质量，氢原子的M m e ⁄=1836.5。

电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量νh 为两能级间的能量差 )()(n E m E h -=ν （m >n ） 如以波数ν1~

=表示，则为下式

)1

1()()()()(22~

m

n R m T n T hc n E m E H -=-=-=

ν

式中，R H 为氢原子的里德伯常量；T(n)为氢原子的光谱项，它与氢能级E （n ）是对应的。

由R H 可以得到氢原子各能级的能量

21)(n

ch

R n E H -= 式中，h=4.13567×10−15eV ∙s ;c =2.99792×108m ∙s −1

由能谱图示可知，从m ≥3到n =2的跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律为

...5,4,3),121(

22~

=-=m m

R H ν

除氢原子外，量子物理揭示出其他类氢原子也有类似的光谱规律，原子发出的各种频率的光是重合在一起的，为了观察和测量原子光谱，必须将原子光谱的谱线分开。

最精确最简单的方法是利用光栅衍射，即使用光栅光谱仪。

在光栅光谱仪中，最常使用的是反射式闪耀光栅。如右图所示，锯齿形是

光栅刻痕形状。现在考虑相邻刻槽的相应点上反射 的光线。PQ 和P `Q `

是

以I 角入射的光线。QR 和Q `R `是以I ·角衍射的两条光线。 P QR 和P ·Q ·R ·

两条光线的光程差是b （(sin I +sin I `),其中b 是相邻刻槽间的距离，称为光栅常数。当光程差满足光栅方程

b(sin I +sin I `)=,...2,1,,±±=o κκλ

时，光强有一极大值，或者说将出现一条亮的光谱线。以相同入射角I 从入射的光，同一级衍射条纹（k ）相同，不同波长（频率）的光将以不同的衍射角I `出射。从而将光谱线分开（称为色散）。同时，根据衍射角的不同，还可以计算出波长。