光學多道實驗報告_第1頁
光學多道實驗報告_第2頁
光學多道實驗報告_第3頁
光學多道實驗報告_第4頁
光學多道實驗報告_第5頁
已閱讀5頁,還剩6頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

1、光學多道與氫、氘同位素光譜 武曉忠 201211141046 (北京師范大學2012級非師范班) 指導(dǎo)教師:何琛娟 實驗時間:2014.9.16摘 要 本實驗通過光學多道分析儀來研究了H、D的光譜,觀察并了解了H、D原子譜線的特征。H和D的光譜非常相似,但是二者的巴爾末系的同一能級的光譜之間仍有波長差,用光電倍增管可以測量出這個差值。通過實驗我們也學習了光學多道分析儀的使用和基本光譜學技術(shù)關(guān)鍵詞 光學多道 H、D光譜1、引言光譜是不同強度的電磁輻射按照波長的有序排列,而原子光譜是由原子中的電子在能量變化時所發(fā)射或吸收的一系列波長的光所組成的光譜。由于氘原子和氫原子核外都只有一個電子,只是里德伯

2、常量有一些差異,因此對應(yīng)的譜線波長稍有差別。我們可以在實驗中通過測出對應(yīng)的譜線和來得到二者的里德伯常量和電子與質(zhì)子的質(zhì)量比。2、原理2.1 物理原理可知原子能量狀態(tài)為一系列的分立值,有一系列的能級,并且當高能級的原子躍遷到低能級的時候會發(fā)射光子。設(shè)光子能量為,頻率為,高能級為E2,低能級為E1,則有: = h=E2-E1 (1)從而有 =E2-E1h (2)由于能量狀態(tài)的分立,發(fā)射光子的頻率自然也分立,這些光會在分光儀上表現(xiàn)為分立的光譜線,也就是“線狀光譜”。根據(jù)巴爾末公式,對氫原子有 1H =RH(1n12 - 1n22) (3) RH 為氫原子的里德伯常量。當n1=2, n2=3,4,5,

3、····時,光譜是巴爾末系,在可見光區(qū)域。對氘原子,同樣有 1D =RD(1n12 - 1n22) (4) RD是氘原子的里德伯常量,當n1=2, n2=3,4,5,····時,光譜是巴爾末系。則 =H-D= (1RH - 1 RD) (122 - 1n2),n=2,3,4,··· (5)若忽略質(zhì)子和中子的細微差別,我們可以得到H、D的里德伯常量關(guān)系為: RH=Rmpmp+me , RD=R2mp2mp+me (6)又知R=109737.31cm-1,它是原子核質(zhì)量為無窮大時候的里德伯

4、常量則 1RH=2(mp+me2mp+me)1 RD (7) 1RH - 1 RD=me2mp+me 1 RD =me2mp+me 1 RD*1/(122 - 1n2)= me2mp+meD (8)由于memp,則 Dme2mp (9)因此只要在實驗中測出對應(yīng)譜線和即可得電子和質(zhì)子質(zhì)量比。2.2 儀器原理光柵多色儀其光路圖如下圖所示: 圖1 光柵多色儀光路圖 其中,S1入射狹縫 M1平面反射鏡 S2CCD感光平面 M2-凹面鏡 S3-觀察窗口 M3凹面鏡 G平面衍射光柵 M4平面反射鏡光從狹縫S1入射,經(jīng)過平面鏡M1反射后,被凹面鏡M2反射成平行光并且投射到光柵G上。由于光柵具有衍射作用,不同

5、波長的光被反射到不同的方向上(衍射角不相同),再經(jīng)過凹面鏡M3反射,成像在CCD感光平面所在焦面上,還可由可旋入的平面鏡M4反射到觀察窗S3或者出射狹縫上??芍粼诠鈻殴庾V儀的像平面處裝上出射狹縫,經(jīng)過色散系統(tǒng)得到的單色光可從狹縫相繼出射,這樣的儀器就叫做單色儀。而若在像平面處有系列狹縫或矩形開口,可同時出射多個單色光,這種儀器叫做多色儀。從圖中我們可知像平面處是有矩形開口的,因此儀器為多色儀,實驗也是光學多道實驗。光柵光譜儀的角色散率為 dd = ma (在衍射角不大的情況下) (10)式中a為光柵常數(shù),m為干涉級數(shù)。公式表明,光柵常數(shù)越小即刻線越密,它的角色散率越大,干涉級數(shù)越高。光柵光譜

6、儀的分辨本領(lǐng)為R=mN (11)其中N是光柵的總可嫻熟。因此,同樣光柵常數(shù)的光柵,它的劃刻面越大,即總刻線條數(shù)越多,它的分辨本領(lǐng)越大。CCD光電探測器CCD器件具有高靈敏度,低噪聲,快速讀出等優(yōu)點。它主要是金屬氧化物半導(dǎo)體制成的光電轉(zhuǎn)換二極管,稱為感光像元,排成面陣列或線陣列。這些像元可以將信號光子轉(zhuǎn)變成信號電荷并實現(xiàn)電荷的儲存、轉(zhuǎn)移和讀出。光電倍增管光電倍增管是一種將弱光信號轉(zhuǎn)化為電信號的真空電子器件。其基本實驗原理為光電效應(yīng),當光照到光陰極時,光陰極向真空中激發(fā)出光電子,這些光電子按聚集極電場進入倍增系統(tǒng),并通過進一步的二次發(fā)射得到倍增放大,放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二

7、次發(fā)射倍增系統(tǒng),所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光探測器中具有極高的靈敏度和極低的噪聲。故實驗中用光電倍增管觀察兩條距離很近的譜線的分離,更加精確。3、實驗3.1 實驗儀器實驗中主要用到光柵多色儀、CCD光電探測器和光電倍增管。在光柵多色儀中,我們使用的是閃耀光柵。在狹縫S1前放置光源,若將光柵多色儀的觀察窗置于CCD處,則光在經(jīng)過光柵多色儀后出射到CCD光電探測器上,通過光電轉(zhuǎn)化得到氫的光譜。由于實驗中采用的是定標的方式,因此實驗結(jié)果較為準確。而在測量氫氘譜線時,由于氫光譜和氘光譜的波長差較小,我們需要將小信號放大,因此將觀察窗置于光電倍增管處。我們在實驗中使用的是具有2

8、048個像元的線陣列CCD器件。 3.2實驗方法在實驗開始前估算n2分別等于3,4,5時氫光譜的巴爾末系波長(結(jié)果如表1所示),接下來用He (Ne)譜線作為已知波長進行波長測量的定標。選擇哪種燈根據(jù)待測譜線附近哪種原子的譜線較多來確定。在使用CCD來對光譜測定時,只能顯示一個22nm的標度,我們并不能夠知道譜線和波長的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)估算出的待測氫譜線來確定標準譜,選定標準譜在估測待測的氫,譜線附近,并且反復(fù)調(diào)節(jié)中心波長使得同一個攝譜范圍內(nèi)既可以觀察到待測的氫譜線,也可以觀察到至少兩根標準譜線。在標度內(nèi),光柵光譜儀的掃描譜線與對應(yīng)波長的關(guān)系滿足線性關(guān)系(近似),因此可以通過線性方式來定標。之后

9、用光電倍增管對H-D光譜進行測量。先用CCD檢測H-D光源的每一條譜線確定同一級別(n2)相同的譜線是分離的。然后選擇光柵光譜儀的倍增管模式,對400-600nm之間的譜線進行單程掃描,然后分別對n2=3,4,5的譜線進行“擴展”和“尋峰”,觀察分立的兩條光譜。測出氫氘光譜線的波長,算出相互間的波長差。將用光電倍增管測出的氫光譜與步驟1中所測出的氫光譜比較并進行波長修正。由于所做的實驗在空氣中,因此我們需要將波長換算成真空中的波長及波數(shù)。最后計算出RH和RD,memp并與公認值比較,并以波數(shù)為單位,按比例畫出氫、氘的能級圖。 表1:氫氘光譜的估算RH=109677.58cm-1,RD=1097

10、07.44cm-1n23456H/nm656.47486.27434.17410.29D/nm656.29486.14434.05410.18在實驗過程中對于檢索結(jié)果可以截圖并將文件儲存好,截得的圖片可以按照時間順序和內(nèi)容命名并整理。4 實驗結(jié)果分析與討論4.1用CCD光學多道系統(tǒng)測量氫光譜首先需對已知標準譜進行定標,然后采用線性定標的方式(這是由于光柵光譜儀的掃描譜線與對應(yīng)波長的關(guān)系近似滿足線性關(guān)系)明確掃描譜線和波長的關(guān)系。由于界面上只能顯示一個22nm的標度,因此我們要求在氫的待測譜線附近要有較多的標準譜線。那由于在n2=3時的氫光譜(即約656nm的譜線)附近He原子譜線較多,因此可以

11、用He燈的譜線來定標。而在n2=4,5時的氫光譜附近Ne原子譜線較多,因此可以用Ne燈的譜線來定標。定標波長和待測波長的數(shù)據(jù)如表二所示: 表2:測量氫光譜n2定標波長1/nm定標波長2/nm待測波長/nmn2=3650.65659.90656.30n2=4471.32492.19486.16n2=5438.79443.74434.01由于實驗是在空氣中進行的,所以我們得到的不是在真空中的氫光譜。因此需要將實驗測得的波長換算成真空中的波長。換算結(jié)果如表三所示: 表3:氫光譜在真空中波長和波數(shù)n2空氣中波長/nmng真空中波長/nm波數(shù)/m-1n2=3656.301.0002876656.4915

12、23255.35n2=4486.161.0002876486.302056344.58n2=5434.011.0002876434.132303431.91從表中我們可以看到,雖然氫光譜的波長不同,但是ng都為1.0002876。這是由于ng雖然與波長有關(guān),但是波長的影響非常小,在實驗中基本可以忽略不計。此外,我們可以看到,隨著n2的增加,氫光譜在真空中的波長減小,并且光譜在真空中的波長差也在減小。結(jié)果滿足 隨著n2的增大而減小的規(guī)律。4.2用光電倍增管測量H-D光譜在用光電倍增管測量H-D光譜之前需仔細調(diào)節(jié)各個光路使得譜線強度最強且能明顯分立H譜線和D譜線。調(diào)節(jié)好光路后,我們選擇波長范圍在4

13、40nm到660nm 進行掃描和測量,實驗數(shù)據(jù)如下表所示: 表4:氫-氘光譜測量值n23456H/nm(空氣中)656.22486.26434.14410.26D/nm(空氣中)656.04486.12434.04410.24H/nm(真空中)656.41486.40434.26410.38D/nm(真空中)656.23486.26434.16410.36從表中數(shù)據(jù)可知,隨著波長的減小,波長差也在減小,符合公式中的關(guān)系。在實驗中,我們先用CCD調(diào)節(jié)光路使得能夠清晰地分離出同一級別的H-D譜線后才能將再使用光電倍增管進行掃描。那么,我們在調(diào)節(jié)光路的時候可以根據(jù)波長差隨波長減小的特性,先調(diào)節(jié)波長差

14、較小的(即434nm)譜線,使它們能夠分離,這樣的話,其他譜線就可以分離了。由于CCD是通過定標的方式來測出氫的譜線的,而光電倍增管是通過光柵方程算出的譜線長度,因此光電倍增管測得的H-D光譜沒有CCD測得的那么準確。因此我們用到前面的CCD測得的H光譜對H-D光譜進行修正。為了保證結(jié)果的準確性,我們對每一個數(shù)據(jù)點分別進行修正,修正結(jié)果如下表所示: 表5:H-D光譜的修正(真空)n2345CCD下H/nm656.49486.30434.13光電倍增管下H/nm656.41486.40434.26H/nm0.08-0.10-0.13光電倍增管下D/nm656.23486.26434.16修正后D

15、/nm656.31486.16434.03從表中我們可以看到氫和氘的譜線波長都隨著n2的增加而增加,并且波長差都隨著n2的增加而減小。此外,同一級別下氫譜線的波長都比氘譜線波長更長,這也符合由于氫的里德伯常量小于氘的里德伯常量所造成的波長關(guān)系。利用修正后所得的結(jié)果我們可以求出H、D原子的里德伯常量,結(jié)果如下表所示: 表6:H、D原子的里德伯常量n2345平均值RH/m-110967417.6310967167.0410968845.1910967809.95RD/m-110970425.5610970325.2710971372.4010970707.74由于RH=109677.58cm-1,

16、RD=109707.44cm-1,與試驗中所測得的數(shù)值相比較我們可以得到H和D原子的里德伯常量的誤差:RH誤差=0.0005%;RD誤差=0.0003%;由實驗數(shù)據(jù)可以看出,RH<RD,這符合公式(6)中的關(guān)系。根據(jù)公式(9),我們可以對電子質(zhì)子質(zhì)量比進行計算,計算結(jié)果如下表所示: 表7:電子和質(zhì)子質(zhì)量之比D/nmH/nm/nmme/mp656.31656.490.180.000548521486.16486.300.140.000575942434.03434.130.100.000460798可得me/mp的平均值為0.00052842。電子質(zhì)子質(zhì)量比的理論數(shù)值為1/1836=0.0

17、0054466 計算誤差得到:誤差=(0.00052842-0.00054466)/0.00054466*100%=2.98%.可知誤差較小,實驗測量結(jié)果較為準確,這證明了理論和實驗符合的很好。我們也能從圖中看出,質(zhì)子的質(zhì)量遠遠地大于電子質(zhì)量,原子核中的質(zhì)子和中子占了原子絕大部分的質(zhì)量。4.3 氫、氘原子能級圖 以波數(shù)為單位,按比例畫出氫、氘原子的能級圖,圖像下圖所示: 圖3:氘原子能級圖從圖中我們可以非常直觀地看出,n越小,能級越低,并且隨著能級的增大,相鄰能級間的能量差減小。根據(jù)公式(3),可知當n2為無窮時,n1越小,波數(shù)差越大。我們假設(shè)當n2為無窮時,能量為0,那么n1越小,波數(shù)差越大

18、,能量差越大,從而能級為n1時能量就越小。因此n越小,能級越低,實驗結(jié)果符合理論規(guī)律。同樣的1n12 - 1n22也隨著n1和n2的增大而減小,符合理論規(guī)律。 圖4:氘原子能級圖從圖中我們可以看到氘原子能級的規(guī)律同氫原子一樣,n越小,能級越低,并且隨著能級的增大,相鄰能級間的能量差減小。但是將氫原子能級圖和氘原子能級圖進行對比我們發(fā)現(xiàn),相同的能級下氫原子的能量更高。同樣的,根據(jù)公式(6),我們假設(shè)當n2為無窮時,能量為0,可知當n2為無窮時,n1越小,能級n1和無窮之間的波數(shù)差越大,能級n1的能量就越小。并且由于RH<RD,可得當n2為無窮時相同n1能級下,氫原子波數(shù)差小于氘原子波數(shù)差,因此同一能級

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論