用光学多道分析器研究氢原子光谱.docx

用光学多道分析器研究氢原子光谱摘要：光谱是光的频率和强度的分布关系图，是研究物质微观结构的一个重要途径。在本实验中，使用光学多道分析器来测量氢原子的巴耳末系的的波长，并利用所测波长计算里德伯常量。关键词：氢原子光谱、汞灯定标、光学多道分析器、巴耳末系、里德伯常量实验目的：1：测定氢原子巴耳末系发射光谱的波长的氢的里德伯常量。2：了解氢原子能级与光谱的关系，画出氢原子的能级图。3：了解光学多道分析器的原理和使用方法。实验原理： 根据玻尔理论，氢原子的能级公式为电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差，如以波数表示，则上式为，式中为氢原子里德伯常量，称为光谱项，它与能级是对应的，从可得氢原子各能级的能量，式中。从至的跃迁，光子的波长位于可见光区，其光谱符合规律，这是巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系，氢原子的莱曼系位于紫外，其他线系均位于红外。实验仪器： 光学多道分析器是利用现代电子技术接收和处理某一波长范围内光谱信息的光学多通道检测系统。 多色仪及光源部分的光路见图1，图1 光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S1,，入射光经平面反射镜M1转向，经球面镜M2反射后成为了平行光射向光栅G，衍射光经球面镜M3和平面镜M4成像于观察屏P。由于各波长光的衍射角不同，在P处形成以某一波长为中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征。转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动，多色仪上有显示中心波长的波长计，转开平面镜M4可使M3直接成像于光电探测器CCD，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全一致。实验内容： 因为线的波长为线为，波长间隔达246nm，超过CCD一帧159nm的范围，所以要分两次测量，第一次测量三条线，第二次单独测量线，第一次测量用汞灯的546.07nm、435.84nm、404.66nm等谱线作为标准谱线来定标；第二次用汞灯的546.07nm、576.96nm、579.07nm及三条紫外光的二级光谱线来定标。具体步骤为：1：第一次定标与的测定将多色仪起始波长调到390nm，入射狭缝的宽度为0.1mm左右，用汞灯作光源，调节L、S与多色仪共轴，并令光源S成大像与入射狭缝处。这时在多色仪的观察屏P上观察到清晰、明亮的紫色水银谱线。转动M4，使光谱照到CCD上，调节入射狭缝，使谱线变锐，选择适当的曝光时间以获得清晰、尖锐的光谱图，由于谱线强度不同，对不同谱线可选用不同的曝光时间。用汞灯的546.07nm、435.84nm、404.66nm三条谱线定标，定标结果为图2如下：图2：汞灯第一次定标改用氢灯，调整狭缝宽度和氢灯的位置，使谱线清晰，峰线尖锐，峰值最强，测量结果为图3如下：图3：氢灯测量结果2：第二次定标与的测定：将多色仪起始波长调至540nm，用汞灯定标，谱线分别为546.07nm、576.96nm、579.07nm和三条紫外光的二级谱线，定标结果为图4如下：图4：汞灯第二次定标 定标之后，换用氢灯，操作与前类似，所得结果为图5：图5：的测量结果 注：因为本实验所用仪器严重失于校准，以上所写定标波长为标准定标波长，但本实验中是按照实验峰值来定标。实验数据：1：所得氢原子光谱波长为:m3456655.37nm478.13nm438.65nm407.16-0.1111-0.0625-0.0400-0.0278因为实验仪器严重失于校准，所测数据误差较大，原始数据为采用补偿法大致拟合数据（将测实验所得数据减去40nm，测所得数据加上20nm），所得如上图。2：以为y轴，为x轴画图为（以为没有专门的画图工具，所以用表格画了）其中纵轴省略了数量级相对误差为实验结果与误差分析： 该实验由于实验仪器失于校准，实验所得数据测量误差较大，根据理论数据结果大致拟合得到以上图中数据。参考文献：周殿清，张文炳，冯辉，基础物理实验。北京：科学出版社，2009年1月第一版。Investigating the spectrum of hydrogen atom with Optical multi-channel analyzerAbstract: Spectrum is the frequency and intensity of light distribution diagram,is an important way to research the material microstructure.In this experiment, using the optical multichannel analyzer to measure the wavelength of the hydrogen Balmer series ,and using the measur