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光学多道与氢、氘同位素光谱实验日期：2013/12/27指导老师：王海燕【摘要】本实验利用光学多道分析仪，通过已知波长的氦、氖光谱进行定标测量了氢光谱，并测量氢氘同位素光谱，得到氢氘光谱的波长值；利用这些测得值计算出了氢氘的里德伯常量分别为，得到了氢氘光谱的各光谱项；除此之外，还通过计算得出了电子与质子质量之比为，与理论值相比误差为2.35%。关键词：光学多道分析、CCD光电探测器、光电倍增管、氢氘光谱引言光谱学在原子分子物理、天文物理、等离子体物理、激光物理和材料物理等物理学科中占有极为重要的地位。在整个光谱学史中，氢光谱的实验和理论研究都占有特别重要的地位。在1885年，瑞士物理学家巴耳末就发现了巴耳末公式，即可见光区氢光谱谱线波长的规律。1892年美国物理学家尤雷等发现氢的同位素氘的光谱。氢原子和氘原子的核外都只有一个电子，故光谱极为相似，但由于原子核质量的不同波长也有所差别，这种差别就称为“同位素位移”。本实验利用光学多道分析仪研究氢的同位素光谱，了解氢氘原子谱线的特点，学习光学多道分析仪的使用方法及基本的光谱学技术。原理在量子化的原子体系中，原子的能量状态为一系列分立的值，每一个能量状态称原子的一个能级。能量最低的状态称为原子的基态，高于基态的其余各能级称为原子的激发态。处于高能级的原子，总是会自发跃迁到低能级，并发射出光子。设光子能量为，频率为，高能级为，低能级为，则：(1)由于原子能级的分立，所以当原子由高能级向低能级跃迁时，会发出一些特定频率的光，这些光在分光仪上表现为一条条分立的“线性光谱”。这些频率由巴耳末公式确定。对原子有：(2)式中是原子的里德伯常量。当时，光谱大部分位于可见光区，对应线系为巴耳末系，即：(3)与类似，的巴耳末系的公式为：(4)式中为原子的里德伯常量。由（3）（4）两式，可以得到、的波长差为：(5)由上式可以看出，、的光谱之间的差别就在于它们的里德伯常量不同。究其原因，这是因为二者的原子核结构不同。核是质子，核则由一个质子和一个中子构成的。忽略质子与中子的质量的微小差别，则二者的里德伯常量可写为：(6)式中，表示原子核质量无穷大时的里德伯常量，为质子和中子的质量，为电子质量。由二同位素的里德伯常量之比可得： (7)由（4）（6）式可得到、的波长差公式：(8)考虑到电子质量比忽略的中子质量还要小1个量级，由此可得： (9)在实验中，可测出对应的、谱线波长，即可求出波长差，由公式(9)即可得出电子和质子的质量比。实验内容实验装置本实验所用仪器为光学多道分析仪（Optical Multi-channel Analyzer简称OMA），主要由光栅多色仪，CCD接受单元，电子信号处理单元，A/D采集单元和计算机组成。实验装置如图1所示：光栅多色仪在像平面处有系列狭缝或矩形开口,可同时通过多个单色光的仪器叫做多色仪，利用光栅作为分光元件的多色仪称为光栅多色仪.光栅多色仪的光路图如图2。通过入射狭缝S1的光经平面镜M１反射后，被凹面准光镜M２反射为平行光投射到光栅G上。由于光栅的衍射作用，不同波长的光被反射到不同的方向上，再经凹面物镜M３反射，成像在CCD感光平面所在的焦面S2上，或由可旋入的平面镜M４反射到观察窗S3上。光栅光谱仪的角色散率为（为光栅常数，为干涉级次） (10)在衍射角θ不太大的情况下(11) 公式表明,光栅常数越小即刻线越密,它的角色散率越大,干涉级数越高,角色散率也越大。光栅光谱仪的分辨本领为（为光栅的总刻线数）(12)可知同样光栅常数的光栅，它的刻划面越大，即总刻线的条数越多，分辨本领也越大。但是，当光束不能照满整个光栅刻划面时，只有被照亮的光栅划线部分才对其分辨本领有贡献。CCD光电探测器CCD（电荷耦合器件）可以将光学图像转换为电学“图像”，即电荷量与该处照度大致成正比的电荷包空间分布，因此，它可以“瞬时”探测到空间分布的光信号。我们实验所用的是具有2048个像元的线阵列CCD器件。光电转换二极管将信号光子转变为信号电荷，并实现电荷的存储、转移和读出。其工作原理如图3。CCD灵敏度受光电二极管电荷最小可测变化的限制，并受热暗电流所造成的靶表面漏电的影响，还受放大器噪声的影响。OMA的分辨率主要决定于多色仪，如分光元件光栅的刻线条数，以及多色仪光程的长度，但也受CCD的限制，故其分辨率一般在0.01～0.1nm范围内。一次摄谱范围为22nm。光电倍增管光电倍增管是一种具有高灵敏度与超快响应时间的光探测元件，光电倍增管本身能将光电流放大102~106倍，因而适合测量微弱光谱信号，其灵敏度可达到光子计数单位。实验内容利用已知量计算氢光谱巴尔末线系中的几条谱线的波长。用CCD光电探测器测量氢光谱选择光谱仪的工