南京大學(xué)-氫原子光譜實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上氫原子光譜一實驗?zāi)康?熟悉光柵光譜儀的性能和用法2用光柵光譜儀測量氫原子光譜巴爾末系數(shù)的波長，求里德伯常數(shù)二實驗原理氫原子光譜是最簡單、最典型的原子光譜。用電激發(fā)氫放電管(氫燈)中的稀薄氫氣(壓力在左右)，可得到線狀氫原子光譜。瑞士物理學(xué)家巴爾末根據(jù)實驗結(jié)果給出氫原子光譜在可見光區(qū)域的經(jīng)驗公式 （1）式中為氫原子譜線在真空中的波長。是一經(jīng)驗常數(shù)。取等整數(shù)。若用波數(shù)表示，則上式變?yōu)?（2）式中稱為氫的里德伯常數(shù)。根據(jù)玻爾理論，對氫和類氫原子的里德伯常數(shù)的計算，得 （3）式中為原子核質(zhì)量，為電子質(zhì)量，為電子電荷，為光速，為普朗克常數(shù)，為真空介電常數(shù)，為原子序數(shù)。當(dāng)時，由上

2、式可得出相當(dāng)于原子核不動時的里德伯常數(shù)(普適的里德伯常數(shù)) （4）所以 （5）對于氫，有 （6）這里是氫原子核的質(zhì)量。由此可知，通過實驗測得氫的巴爾末線系的前幾條譜線j的波長，借助（6）式可求得氫的里德伯常數(shù)。里德伯常數(shù)是重要的基本物理常數(shù)之一，對它的精密測量在科學(xué)上有重要意義，目前它的推薦值為表1為氫的巴爾末線系的前四條波長表譜線符號波長（nm）H656.280H486.133H434.047H410.174表1氫的巴爾末線系波長值得注意的是，計算和時，應(yīng)該用氫譜線在真空中的波長，而實驗是在空氣中進(jìn)行的，所以應(yīng)將空氣中的波長轉(zhuǎn)換成真空中的波長。即，氫巴爾末線系前6條譜線的修正值如表2所示。氫

3、譜線HHHHHH0.1810.1360.1210.1160.1120.110表2真空空氣波長修正值三實驗儀器實驗中用的實驗儀器有WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀，計算機(jī)示意圖如下：圖1四實驗內(nèi)容1接通電源前，檢查接線是否正確，檢查轉(zhuǎn)化開關(guān)的位置。2接通電箱電源，將電壓調(diào)至。3啟動計算機(jī)并進(jìn)行初始化。4先用氦光源作為標(biāo)光源，測定氦的原子譜線，調(diào)整狹縫，使得譜線的強(qiáng)度在可測量范圍內(nèi)的。5換成氫光源，同樣調(diào)整狹縫，調(diào)整狹縫時兩狹縫要匹配，掃描完后對曲線進(jìn)行尋峰，讀出波長，記錄數(shù)據(jù)。五實驗圖像與數(shù)據(jù)處理1氦原子光譜的測量（光譜測量圖像見后）（1）實驗數(shù)據(jù)。氦原子光譜的實驗數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示：實驗

4、峰值波長/nm447.6471.1501.8587.0705.2標(biāo)準(zhǔn)光譜波長/nm447.1468.6501.6587.6706.6差值/nm0.52.50.2-0.6-1.4表3 氦原子譜線波長（空氣中測量）（2）數(shù)據(jù)修正。測量值與真空中氦的實際譜線有一定偏差，若要以氦原子的譜線數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的平均偏差，為減小平均偏差，將每個數(shù)據(jù)減去，得到新的譜線：光譜波長/nm447.4470.9501.6586.8705.0表4 氦原子譜線波長修正值還有一種方法是使得修正后的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的方均偏差最小。此時若記修正值為，則方均誤差的表達(dá)式為易知該函數(shù)的最小值在處取到，故結(jié)

5、果與第一種處理方法一致。（3）修正結(jié)論。綜上可知，以氦原子真空狀態(tài)為基準(zhǔn)時要把波長數(shù)據(jù)減去以減小平均誤差。2氫原子光譜的測量（光譜測量圖像見后）（1）實驗數(shù)據(jù)。氫原子光譜的測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值如表6所示實驗峰值波長/nm411.0434.6486.3655.5標(biāo)準(zhǔn)光譜波長/nm410.2434.0486.1656.3譜線序數(shù)6543差值/nm0.80.60.2-0.8表5 氫原子譜線波長（空氣中測量）（2）數(shù)據(jù)修正。若以氦原子的真空狀態(tài)測量為基準(zhǔn)，則每個數(shù)據(jù)需要減去偏差值，得到新的數(shù)據(jù)：修正的實驗波長/nm410.8434.4486.1655.3標(biāo)準(zhǔn)光譜波長/nm410.2434.0486.165

6、6.3譜線序數(shù)6543差值/nm0.60.40.0-1.0表6 氫原子譜線波長修正值新數(shù)據(jù)的平均誤差減小為，所以對氫原子的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正是有效的。需要指出的是，修正后的氫原子數(shù)據(jù)代表了氫原子在真空中的峰值波長，若要得到氫原子在空氣中的峰值波長，要根據(jù)表2進(jìn)行修正。（3）計算里德伯常數(shù)。根據(jù)公式與可以計算各個峰對應(yīng)的氫原子的里德伯常數(shù)與里德伯常數(shù)修正實驗峰值波長/nm410.8434.4486.1655.3氫原子里德伯常數(shù).64.54.35.04里德伯常數(shù).67.84.95.22表8測量平均值： 的測量平均值： 與推薦值的相對誤差為： 的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 故的測量誤差 所以里德伯常數(shù)的測量結(jié)果表示為（4

7、）擬合法求里德伯常數(shù)由式（2）與式（6）可知故與呈線性關(guān)系，其斜率為氫原子的里德伯常數(shù)與的關(guān)系圖像如下：圖2用擬合出一條直線，其斜率，即與推薦值的相對誤差為六誤差分析該實驗主要是以氦原子光譜為基準(zhǔn)測量氫原子的里德伯常數(shù)，從實驗結(jié)果看來與推薦值的相差很小，說明該實驗比較精密，但多少還是有一些差別，原子光譜數(shù)據(jù)的誤差來源有以下幾點：1光柵光譜儀存在漏光現(xiàn)象，外界的雜光會摻進(jìn)來導(dǎo)致光譜發(fā)生改變，光柵的大小也影響了光譜的寬度。實驗中發(fā)現(xiàn)氦原子的光譜不僅有理論上的峰值，還多出了其他一些峰，一部分是這些雜光產(chǎn)生的。2實驗儀器測量的譜線數(shù)據(jù)都是若干次測量的平均值，在實驗中為了縮短實驗時間，每個點的樣本數(shù)據(jù)比

8、較少，造成了一定的誤差。3在實驗中我們測量的是空氣中的氦原子的譜線，而在修正的時候參考的是真空中氦原子的譜線值，真空與空氣中的譜線值相差大約，而且每個譜線的修正值不同，這就造成了一定的誤差。4在修正的時候把減小平均誤差作為修正的依據(jù)，而實際上的修正方法有很多，比如較小相對平均誤差，都有一定的合理性，所以修正方法也產(chǎn)生了一定的誤差。5理論上原子光譜有一定的展寬（見思考題2），所以測得的峰值有一定的誤差。七思考題1氫光譜巴爾末線系的極限波長是多少？答：巴爾末線系光譜波長為，極限波長即時的波長2譜線計算值具有唯一的波長，但實測譜線有一定寬度，其主要原因是什么？任何實測譜線都有一定的寬度，主要是由以下原因造成的：（1）根據(jù)海森伯不確定原理，由于測量時間是有限的，故測得的能級有一定展寬（2）同位素位移。實驗樣品的純