氢氘原子光谱讲义

氢氘原子光谱
实验简介:
19世纪，当人们还不知道原子的真正结构时，就已经知道，各种原子或分子发的光是不一样的，每种原子或分子有它自己的特征光谱，例如，通常原子发射的是线光谱，分子发射的是带光谱，但是人们不能解释这些光谱现象。

随着实验数据的不断积累，人们逐渐总结出一些原子光谱的规律，发现氢原子是所有原子中最简单的原子，其光谱规律及核与电子之间的相互作用是最典型的。

各种原子光谱线的规律性研究是首先在氢原子上得到突破的。

100多年来，人们不断研究氢原子，包括类氢原子的光谱结构，在实验方面和理论方面都取得了丰硕的成果。

实验上对精细结构进行探测，数据越来越精确；理论上越来越圆满的解释了谱线的成因，提出了越来越接近于实际情况的理论模型，发展了电子与电磁场相互作用的理论，促进了对物质结构的深入认识。

因此，对氢光谱规律的研究不但有历史意义，也有现实意义。

自然界中的许多元素都存在同位素，他们的原子核具有相同数量的质子，但中子数不同。

反映在谱线上，同位素所对应的谱线发生位移，这种现象称为同位素位移。

同位素位移的大小与核质量有密切关系，核质量越轻，位移效应越大，因此氢同位素具有最大的同位素位移，1932年，尤莱（Urey）根据里德伯常数随原子核质量变化的理论，用蒸发液氢的方法获得重氢含量较高的氢和重氢混合物，然后对其莱曼线系进行了射谱分析，发现氢原子光谱中每条线都是双线。

通过波长测量并与假定的重氢核质量所得的双线波长相比较，实验值与理论值符合得很好，从而确定了氢的同位素——氘（D）的存在。

本实验以氢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。

实验原理 :
巴尔末总结出来的可见光区氢光谱的规律为：
（n = 3，4，5 ……）
式中的B=364.56nm。

此规律可改写为：
式中的为波数，为氢的里德伯常数（109 678cm）。

根据玻尔理论或量子力学中的相关理论，可得出对氢及类氢离子的光谱规律为：
其中，和为整数，z为该元素的核电荷数，相应元素的里德伯常数为：
其中，m和e为电子的质量和电荷，c是真空中的光速，h为普朗克常数，M 为原子核的质量。

显然，随元素的不同R应略有不同，但当认为M→∞时，便可得到里德伯常量为：
这与玻尔原子理论（即电子绕不动的核运动）所推出的R值完全一样。

现在公认的的值为：10973731m，这与理论值完全符合。

有了这样精密测定的里德伯常量，又可以反过来计算还没有测定的某些元素的里德伯常数。

即：
比如应用到氢和氘为：
可见，氢和氘的里德伯常数是有差别的，其结果就是氘的谱线相对于氢的谱
线会有微小的位移，叫同位素位移。

和是能够直接精确测量的量，测出它们，也就可以计算出氢和氘的里德伯常数。

同时还可以计算出氢和氘的原子核质量比。

式中是已知量。

注意：波长应为真空中的波长，同一光
波，在不同介质中波长是不同的，唯有频率及对应光子的能量是不变的，我们的测量往往是在空气中进行的，所以为精确得到结果时应将空气中的波长转换为真空中的波长。

实验内容
1.打开光谱仪控制箱电开关，
选择光电倍增管的工作方式。

2.阅读光栅光谱仪使用说明书
理解光谱仪的工作原理和工作界面中“工作方式”、“工作范围”、工作状态“、“采集次数”、“读取数据”、“单程”、“检索”等功能键的意义，掌握获取光谱、读取光谱数据及保存光谱数据的方法。

3. 选择合适的实验参数，获得Hg光谱：
适当改变实验参数，如“负高压”、“增益”等，并选取适当的寄存器，运行软件，获得Hg光谱。

4.谱线的定标和测量：
以Hg435.84nm谱线为基准，运行软件进行波长修正。

读出Hg光谱各标准波长与相应Hg光谱的各波长值，即Hg光谱的测量值。

作Hg 光谱标准波长与Hg光谱测量波长的的关系拟合图，获得波长的修正公式。

5.选择合适的实验参数，获得氢氘光谱：
点燃氢氘灯，选取合适的狭缝宽度、“工作方式”、“工作范围”、工作状态“中的相关参数和寄存器，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）。

测氢氘巴尔末线系可见光区各波长值，根据光谱波长修正公式，修正氢氘光谱波长值；计算氢、氘里德伯常数。

实验仪器
•WGD-8A型多功能光栅光谱仪、
•氢氘灯（HD）
•汞灯（Hg）
•微机等。

•光源：用氢氘放电管作为光源，用摄谱仪拍摄光谱。

•氢氘放电管是将氢气和氘气充入同一放电管中，当一定的高压加在放电管的两极上时管内的游离电子受到电场作用作用飞向阳极，并因此获得越来越大的动能，当它们与管中的氢、氘分别碰撞时，使氢氘分子离解为氢原子和氘原子，并进入激发状态，当它们回到低能级时产生光辐射。

多功能光谱仪
多功能光谱仪的内部结构
多功能光谱仪的运行机理
思考题
1.入射狭缝宽度和出射狭缝宽度会对实验产生什么影响？）
2、用空气折射率n=1.00029修正氢氘的里德伯常数，并与标准值比较。