氫與氘原子光譜

氫與氘原子光譜原子光譜的觀測(cè)，為量子理論的建立提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1885年，巴爾末根據(jù)人們的觀測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)出了氫光譜線的經(jīng)驗(yàn)公式。1913年2月，玻爾(N.Bohr)得知巴爾末公式后，3月6日就寄出了氫原子理論的第一篇文章，他說(shuō)：“我一看到巴爾末公式，整個(gè)問(wèn)題對(duì)我來(lái)說(shuō)就清楚了?！?925年，海森伯(W.Heisenberg)提出的量子力學(xué)理論，更是建筑在原子光譜的測(cè)量基礎(chǔ)之上的?，F(xiàn)在，原子光譜的觀測(cè)研究，仍然是研究原子結(jié)構(gòu)的重要方法之一。20世紀(jì)初，人們根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)氫有同位素，1919年發(fā)明質(zhì)譜儀后，物理學(xué)家用質(zhì)譜儀測(cè)得氫的原子量為1.00778，而化學(xué)家由各種化合物測(cè)得為1.00779。基于上述微小的差異，伯奇(Birge)認(rèn)為氫也有同位素2H(元素左上角標(biāo)代表原子量)，它的質(zhì)量約為1H的2倍，據(jù)此他們算得1H和2H在自然辦是的含量比大約為4000：1。由于里德伯常量和原子核的質(zhì)量有關(guān)，汨的光譜相對(duì)于1H的應(yīng)該會(huì)有位移。1932年，尤雷將3L液氫在低壓下細(xì)心蒸發(fā)至1毫升以提高2H的含量，然后將那11^注入放電管中，用它拍得的光譜，果然出現(xiàn)了相對(duì)于1H移位了的汨的光譜，從而發(fā)現(xiàn)了重氫，取名為氘，化學(xué)符號(hào)用D表示。由此可見(jiàn)，對(duì)樣品的考究，實(shí)驗(yàn)的細(xì)心，測(cè)量的精確，于科學(xué)進(jìn)步非常重要。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)氫氘光譜的拍攝、里德伯常量和氘氫質(zhì)量比的測(cè)定，加深對(duì)氫光譜規(guī)律和同位素位移的認(rèn)識(shí)，并理解精確測(cè)量的重要意義。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 通過(guò)測(cè)量氫氘光譜線的波長(zhǎng)，計(jì)算氫與氘的原子核的質(zhì)量比md/mh以及里德伯常量2、 掌握光柵光譜儀的原理和使用方法，并學(xué)會(huì)對(duì)光譜進(jìn)行分析。。H實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)：測(cè)量氫氘光譜線的波長(zhǎng)。光譜儀的光學(xué)原理實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)：光譜分析二、 實(shí)驗(yàn)原理巴爾末總結(jié)出的可見(jiàn)光區(qū)氫光譜線的規(guī)律為n2TOC\o"1-5"\h\z人=364.56x nm ()式中入為氫光譜線的波長(zhǎng)，n取3,4,5等整數(shù)。若改用波數(shù)表示譜線，由于v三1/人 ()則式()變?yōu)開(kāi) —C,1 1、v=109678x(2—-一)cm-1式中109678cm-1叫氫的里德伯常量。由玻爾理論或量子力學(xué)得出的類(lèi)氫離子光譜規(guī)律為_(kāi)_ 1 1_u=R「 ［， ()AA(n/z)2(n/z)J上式的 1 222me4RA=(4n￡)2ch3(1+m/M) (1.2.5)0 A是元素A的理論里德伯常量，z是元素A的核電荷數(shù)，氣，七為整數(shù)，m和e是電子的質(zhì)量和電荷，七是真空介電常量，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的質(zhì)量。顯然，RA隨A不同略有不同，當(dāng)MA一8時(shí)，便得到里德伯常量22me4、=福5京一 (1，2.6)0所以 RR= 8 ()

1+m/MA應(yīng)用到H和D有R()R= ―—()H1+m/MRH()8()1+m/MD可見(jiàn)Rd和Rh是有差別的，其結(jié)果就是D的譜線相對(duì)于h的譜線會(huì)有微小位移，叫同位素位移。入H,入TOC\o"1-5"\h\zD是能夠直接精確測(cè)量的量，測(cè)出入H，入D，也就可以計(jì)算出RH，Rd和里德伯常量R8，同時(shí)還可計(jì)算出D,H的原子核質(zhì)量比 HD 8\o"CurrentDocument"Mm 入―― H （）MM（入-入+入m/M）式中m/M=1/1836.1527是已知值。注意，^是指真空中的波長(zhǎng)，同一光波，在不同介質(zhì)中波長(zhǎng)是不同H的，唯有頻率及對(duì)應(yīng)光子的能量才是不變的。我們的測(cè)量往往是在空氣中進(jìn)行的，所以應(yīng)將空氣中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成真空中的波長(zhǎng)，空氣的折射率隨波長(zhǎng)的變化如表:轉(zhuǎn)換成真空中的波長(zhǎng)，空氣的折射率隨波長(zhǎng)的變化如表:三、基本原理WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，AD采集單元，計(jì)算機(jī)組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，光學(xué)系統(tǒng)采用C-T型，如圖2-1。入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0-2mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過(guò)S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成象在S2上或S3上。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、 按廠家給的說(shuō)明書(shū)操作軟件的說(shuō)明，尋找出486.12納米及656.29納米氫氘光譜的譜線，尋峰后再進(jìn)行波長(zhǎng)修正，輸入你的信息及其他全部信息后打?。ㄒ蟛ㄩL(zhǎng)、日期、姓名也同時(shí)打出）。2、 計(jì)算氫與氘的原子核質(zhì)量比，計(jì)算里德伯常數(shù)。注意事項(xiàng)：1、 入射狹縫不應(yīng)過(guò)大。2、 負(fù)高壓和增益不能過(guò)大，否則消頂檢不出峰以下是參考數(shù)據(jù)處理（不要抄，要用自己的數(shù)據(jù)計(jì)算）:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：人=656.29nm

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：人=656.29nm

H數(shù)據(jù)處理：MmMH人=656.11^mD力 H W"副Mh18361527(65611—65629+65611x18361527656291 =2.01510973731 尖 = =10967757.7mt1097373111+m/Mh 1+109737311=10970765.8=10970765.8m-1^R 8d1+m/M1D1+1836.1527x2.015再計(jì)算486.12納米