本科实验报告(氢原子光谱测量)
氢原子光谱的测量
一、试验目的 (1）、了解小型棱镜摄谱仪的结构,掌握其分光原理。 (2）、学习用摄谱仪测量光谱波长的基本实验技术。
（3)、测量氢原子光谱巴尔末线系的波长，并计算里德伯常量. 二、实验原理
1、氢原子光谱的规律
原子光谱与原子能级是密切相关的。测量原子光谱的波长可推知原子能级的结构。氢光谱中位于可见光区四条谱线的波长可用下面的经验公式表示：
λ
B
(n=3,4，5, …） (2-232）
式中，B是一恒量，值为3.56nm，是谱线系极限值，即n→∞时的波长值。里德伯将此公式改为波数=1/λ表示
=
） (2—233）
-1
式中，RH 称为氢原子的里德伯常量,其实验测量值为109677.6cm。 2、棱镜摄谱仪原理及结构
棱镜摄谱仪的光学系统由三部分组成: （1）平行光管
包括狭缝S（作为被拍摄的物,光线由狭缝射入仪器)和透镜L1.S平面位于L1的焦面上，因而从S上每点发出的复色光经L1后变为平行光。 （2）、色散系统
以棱镜作为色散元件。不同波长的平行光经棱镜折射后变为不同方向的平行光。
（3）光谱接收部分
包括透镜L2及放置在L2焦面上的照相感光板F.不同方向的平行光束L2聚焦，成像在不同位置，形成S的一系列单色像S1，S2,…。F放在像面上，就在F上形成一排细线，每一条细线对应于一定的波长，叫光谱线。
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图1 小型棱镜光路
图2 摄谱仪光学系统原理图
3、谱线波长的测量 （1）、目测法
用眼睛通过看谱镜直接观测。先用已知波长λs的光谱作标准，通过读数鼓轮来确定待测各谱线的波长λx。 （2)、照相法
将波长已知的光谱线（比较光谱）和波长未知的光谱线（待测谱线）拍摄在同一张感光板上。拍摄时,不能移动狭缝和摄谱暗箱,只能通过抽动哈特曼光阑,使比较光谱和待测光谱中常用线性内插法测量.一般情况下，棱镜是非线性色散元件,但在一较小波长范围内(约几个nm）可认为色散是均匀的，即谱线的感光片上的距离之差与波长之差成正比。如图4所示，若波长为λx的待测谱线位于已知波长λ1和λ2两谱线之间，用d和x分别表示λ1和λ2及λ1和λx之间距，则待测谱线的波长为
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λx=λ1+（λ2—λ1) (2-236)
图3 定标曲线
图4 内插法测波长
三、实验仪器
WPL小型棱镜摄谱仪、光谱投影仪、氦灯、氢灯、调压器、霓虹灯变压器、全色胶卷及暗房设备. 四、实验步骤
1、调试小型棱镜摄谱仪至工作状态
（1）调整光源与聚光镜的位置,使其与平行光管等高、共轴；点燃氦灯,前后移动聚光灯，将光源成像于狭缝处，均匀照亮整个狭缝使通过摄谱仪的光通量达到最大.
(2)调节狭缝宽度和调焦,使该谱线清晰. 2、用目测法测量氢原子光谱的波长
（1）用看谱镜对氦光谱进行全方位观察
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(2）根据实验要求结合数据处理方法自行设计目视法具体测量过程中应注意的事项。
（3)分析数据作定标曲线，确定待测各谱线的波长λx、RH、百分误差δ。 五、预习思考题
拍完氦谱后拍氢谱过程中能否移动装底片的暗匣？实验中采用什么方法使两排谱线分开？
答：不能，通过移动哈特曼光阑，使其居于上下两排. 六、数据记录与处理
以He光灯谱线为标准在λ-X图像上描绘出一条光滑曲线，再将H光谱中的关键点描绘出来即可得到对应点的波长读数. He：
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 54.6 读数 76。6 75。4 72.3 67。2 67。0 66.3 。3 61.8 61。3 60。6 56.4 波长 706。667.8587。504.7501.5492.1471。447。443。438.9414。412.057 2 56 7 7 2 32 15 76 7 38 8
H: 编号 读数 1 75.2 2 65。9 3 60。0 波长 662.00 488。02 435。11 由1/λ==），n=3,4，5…得
其中实验公认值RH=0。0109677/m
RH1≈0.0108761/m 百分误差:RH2≈0.0109285/m RH3≈0.0109441/m
0。835％ 0.357％ =0。215%
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图5
七、思考题
摄谱时为什么装底片的暗闸框要绕铅垂轴旋转一定角度？
答：为使整个波长范围内得到清晰的谱线，需将放在暗匣的框子绕铅垂轴旋转角度ζ,实验中取ζ≈7°
