仿真实验氢氘光谱拍摄解析

仿真实验—氢氘光谱拍摄

教学目的：

1．了解平面光栅摄谱仪的原理及其使用方法；

2．掌握拍摄氢氘原子光谱的巴尔末线系的实验方法。

教学方法：

讲解，操作指导

教学内容：

一、实验仪器

1．多媒体电脑及配套中科大《大学物理仿真实验》软件。

2．虚拟仪器：平面光栅光谱仪、狭缝、哈德曼光阑、透镜及透射光阑、废渣盘、电极架等。

二、实验原理

1

1．氢原子光谱的规律

巴尔末（J.J.Balmer）1885年首先对氢原子光谱上位于可见光区的四条谱线的波长用经验公式表示了出来：

Bn2n24 （n3,4,5,） 后来里德堡（J.R.Rydberg）将此式改写为用波数

~1表示 ~R11H22n2 式中RH称为氢原子的里德堡常数，其实验测定值为109677.6cm1。由理论可知，类氢

原子的里德堡常数RZ可以表示为

2Rmee4Z21Z2402h3cme1mZ 若mZ，即假定原子核不动，则有

R22m4eeZ2402h3c

（Ⅴ-3-1）

（Ⅴ-3-2）

（Ⅴ-3-3）

（Ⅴ-3-4）

2

因此

RZRme1mZ （Ⅴ-3-5）

可见RZ会随原子核质量mZ而变化，对于不同的元素或同一元素的不同同位素，RZ不同。因此氢和它的同位素光谱会产生同位素移位。

2．平面光栅摄谱仪原理

平面光栅摄谱仪光源发出的光束由狭缝入射，经反光镜反射后，照到反射式准直物镜上，由该准直物镜形成的准直光束反射投向平面衍射光栅上，经光栅衍射后形成独立的光谱，再经物镜反射后形成不同颜色的狭缝的像，即得到光谱，在观察口处可以看到，并进行拍摄。

3．实验方法

实验中，用氢氘放电管作为光源，用光栅摄谱仪拍摄光谱。氢氘放电管是将氢气和氘气充入同一放电管内，当在放电管两极上加上一定高电压时，管内的游离电子受到电场作用飞向阳极，并因此获得愈来愈大的动能。当它们与管中的氢、氘分子碰撞时，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。

三、实验内容

3

在主窗口中用鼠标指向各仪器主要部件时，会出现相应的提示信息。

1．单击“透镜及透射光阑”，在光阑盘上单击鼠标左键或右键，选择正确的光阑。

2．单击“电极架”，调节5个按钮，使观察窗内电极的投影间隙略宽于光阑缝、位于同一垂直线内且在水平方向居于光阑缝的中央。通过切换视角可调节在另一方向观察时的电极位置。

3．单击“哈特曼光阑”，在哈特曼光阑上单击鼠标左键或右键，可选择哈特曼光阑。在其它地方单击鼠标右键，则弹出滤色镜选项，可选择所用滤色镜。

（1）栅位选择，实验采用一级光谱拍摄氢氘光谱，为了拍摄前四条氢氘巴尔末线系的光谱（656.2nm～400.0nm）,需要转动光栅，选择两个光栅转角分段拍摄不同范围的光谱。

（2）滤色镜的选择，由光栅方程dsinisink可知，一级衍射光谱和二级、三级的光谱重叠，即

1600nm2300nm3200nm

一级光谱的600nm和二级光谱的300nm，三级光谱的200nm重叠。光谱的重叠往往会造成读谱的困难，因此在拍摄Fe谱时必须加光谱滤色镜，以便滤掉干扰波段。

（3）曝光时间的选择，由于各种元素或同位素的各条光谱强度有很大差别，为使每条

4

谱线都有便于观察的像，应使用不同的曝光时间分别拍摄。

4．单击“光栅转角调整”，用鼠标拖动底片，粗调光栅转角，在转轮上单击鼠标左键或右键，可细调光栅转角。

5．单击“拍摄光屏”，起动电子表，在所摄光谱选择框内选择与当前步骤一致的谱线，调整板移，使其处于合适的位置，按电子表的“Start”开始拍摄。拍摄完一条谱线后，用“ Reset”重置电子表。

6．单击“拍摄新光谱”，可将当前拍摄光谱结果记录下来，并重置摄谱计划。

7．单击“拍摄记录”，可查看最近几次拍摄的谱片记录。

实验拍摄参考图：

氢氘光谱和铁光谱拍摄参考图

5

6