氢氘原予光谱同济大学物理试验中心

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1、光谱仪和光谱的观察光谱是光源所发射的辐射强度随波长（频率）的分布，它反映了光源的构成物质和 其它的一些特性。我们今天所掌握的有关原子和分子结构方面的知识绝大部分都来自 光谱的研究。在电磁辐射和物质相互作用时能观察到吸收或发射光谱，它们从多方面 提供了原子和分子结构和它们与周围环境相互作用的信息。因此，光谱的观察在科学 研究和生产生活中有着十分重要的意义。【实验目的】1. 掌握光栅光谱仪的工作原理和使用方法，学习识谱和谱线测量等基本技术。2. 通过光谱测量了解一些常用光源的光谱特性。3. 通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长验证巴尔莫公式并准确测 出氢（氘）的里德堡常数。4. *测

2、出氢、氘同位素位移，求出质子与电子的质量比。【原理】1 .典型光源光谱发光原理（1）热辐射光源（白炽灯）这一类光源特点是物体在发射辐射过程中不改变内能，只要通过加热来维持它的 温度，辐射就可继续不断地进行下去这类光源包括我们常用的白炽灯、卤素灯、 钨带灯和直流碳弧灯等一些常用光源。它们光谱是覆盖了很大波长范围连续光谱， 谱线的中心频率和形状与物体温度有关，而与物质特性无关，温度越高，辐射的频 率也越高。（2）发光二极管通过n型半导体的电子和 p型半导体在结间的偶合发出光子，发光频率与电子跃 迁能级有关。如果，跃迁的上能级为E2、下能级为Ei，则发出光子的频率 v满足hv = E2 _ Er/W

3、Whv - Ej E其中h=6.626 10-34Js为普朗克常数，发光二极管跃迁的上下能级都是范围较宽的能带结构，因此，其谱线宽度一般也较宽。分子和晶体也有这种带状的能级结构， 谱线也有一定的宽度。图1原子自发辐射发射光子（3）光谱灯光谱灯工作物质一般为气体或金属蒸汽，通过电激发的形式，使低能态的原子激发到较高的能级(图1),处于高能级的原子是不稳定的，会以自发辐射的形式会到低能级，辐射的光子也满足E2和Ei分别是原子自发辐射跃迁的上下能级，v为辐射的光子频率。原子的能级是分立的，可以从不同高能级不同低能级跃迁，因此，原子谱线也是分立的，谱线宽 度一般也较窄。2. 谱线半值线宽谱线的半值线宽

4、(半线宽)是光谱研究中一个很重要的参量，通过半线宽的测量我们可以知道谱线的频率分布的范 围的大小，可以求得光源的相干长 度等一些与光源特性有关的参量。 如果一个光谱的分布函数的f()，在波长= -0达到极大f(，o)(图 2)，在其左右两边各存在波长值入1,?2，有 f( 1)= f( 2)= f( -0)/2，则对 应波长0峰值半线宽定义为 = | 1-2|o峰值半线宽与相干长2度L关系为l L 0 o3. 氢原子光谱1913年玻尔原子的量氢光谱实验在量子理论的发展过程中有着非常重要的地位, 子轨道的理论，指出了原有经典理论不能用于解释原子内部结构，提出了微观体系特 有的量子规律，揭开了量子

5、论发展的序幕。氢原子光谱的实验规律：早在原子理论建立以前人们就积累了有关原子光谱的大量实验数据，发现氢原子光谱可以用一个普遍的公式表示，波数(1)其中：m取1、2、3、4、5等正整数，每一个 m值对应一个光谱线系，如当m=2时便得到谱线在可见光和近紫外区的巴耳末线系；n取m+1、m+2、m+3、等正整数，每一个n值对应一条谱线；R称为里德伯常数。式（1）称为广义巴耳末公式。 根据光谱实验规律和其它实验结果，玻尔提出了原子电子轨道的量子化理论，按照玻尔理论氢原子光谱巴耳末线系的理论公式为(2)2 - 2me4(4二；。)h3c1 M 2 / m2 二 2me4式中o为真空介电常数，h为普朗克常数

6、，c为光速，e为电子电荷，m为电子质量，M 为氢原子核质量。即里德伯常数(3)1R =(4) h3c(1 +M 口 )R为将核的质量视为无穷大（即假定核固定不动）时的里德伯常数。这样便把里德伯常数 和许多基本物理常数联系起来了。因此式（3）和实验结果符合程度就成为检验玻尔理论正确性的重要依据之一。这样（2）可写成(4)(n=3 时，=656.28nm)*4.同位素位移由于同一元素的不同同位素，它们原子核所拥有的中子数不同，引起原子核质量差异和电荷分布的微小差异，而引起原子光谱波长的微小差别称为“同位素位移”。一般来说，元素光谱线同位素位移的定量关系是很复杂的。对于重核，中子数目的增加 除了增大

7、原子核的质量外，还使原子核的半径发生变化，它们对同位素的光谱线都有 影响。只有像氢原子这样的系统，同位素位移才可以用简单的公式计算。氢原子核是 一个质子，其质量为M，氘核比氢核多一个中子，其质量近似为2M。由式（4）可知氢原子与氘原子的里德伯常数分别为M 、Rh = R处一-!（ 5）lM + m 丿Rdz 2M i2M + m 丿(6)对于巴耳末线系，氢和氘的谱线计算公式分别为1cVHRHH1厂V dRdD对于相同的n,由式（5） （8）可得12n(7)(8)M m 2M m(9)M 2M _ m ,仇_2M 所以M（10） m 2厶同时由于用光谱实验可测得精确度很高的里德伯常数，因而也成为

8、调准基本物理常数值的重要依据之一。上式中的，是用R：。代替Rh或Rd计算得到的h或D的近似值。用式（10）计算M/m时，又可取p的数值。从实验测得的每一个h和d可算得M/m的一个值，最后求平均值。【实验仪器】光栅光谱仪、光谱灯、发光二极管、热光源、氢灯【仪器介绍】在上世纪九十年代以来，微电子领域中的多象元光学探测器（例如CCD，光电二极管阵列）制造技术迅猛发展，使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。光谱仪使用同样的CCD（CCD光谱仪）和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描， 不需要转动光栅。光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱 分析。由于光纤的

9、方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。微型光纤光谱仪的测量速度 非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的 参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准， 校准后光纤光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。光栅 的选择选择决定了仪器的光谱范围以及分辨率的要求。 对于光纤光谱仪而言， 光谱范围通常在 200nm-2200nm 之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱 范

10、围；同时分辨率要求越高，其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求，300线/mm的光栅是通常的选择。 如果要求比较高的光谱分辨率，可以通过选择3600线/mm的光栅，或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。狭缝 宽度对于测量是十分重要的。较窄的狭缝可以提高分辨率，但光通量较小； 另一方面，较宽的狭缝可以增加灵敏度，但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中， 选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。探测器 在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度，探测器上的光敏感区原 则上是有限的，它被划分为许多小像素用于高分辨率或划分为较少但较大的像素用于 高敏感度。通常背感光的 CCD 探测器灵敏度

11、要更好一些，因此可以某个程度在不灵敏 度的情况下获得更好的分辨率。 近红外的 InGaAs 探测器由于本身灵敏度和热噪声较高， 采用制冷的方式可以有效提高系统的信噪比。复享光谱仪依靠来自世界领先光学探测 器先进生产商阵容，如 Sony,Hamamatsu,Thoshiba 等产品技术支持。滤光片 是光谱仪的常用配件。由于光谱本身的多级衍射影响，采用滤光片可以降 低多级衍射的干扰。和常规光谱仪不同的是，光纤光谱仪是在探测器上镀膜实现，此 部分功能在出厂时需要安装就位。同时此镀膜还具有抗反射的功能，提高系统的信噪 比。光谱仪的性能主要是由光谱范围、光学分辨率和灵敏度来决定。对以上其中一项 参数的变

12、动通常将影响其它的参数的性能。光谱范围 较小的光谱仪通常能给出详细的光谱信息，相反大范围光谱范围有更宽 的视觉范围。因此光谱仪的光谱范围是必须明确指定重要的参数之一。影响光谱范围的因素主要是光栅和探测器，根据不同的要求来选择相应的光栅和 探测器。光学分辨率 是衡量分光能力的重要参数。它取决于在被热敏元件探测时单色光的 带宽。三个部件对分辨率有影响：入射狭缝，光栅和探测器像素尺寸。细小的狭缝可 以得到更好的分辨率，但降低了灵敏度；高刻划线的光栅增加了分辨率，但降低了光 谱范围；较小的探测器像素尺寸增加了分辨率，但降低了灵敏度。由上可见，选择光谱仪的三个重要指标之间具有非常密切的联系。通常我们要了

13、 解我们最需要的是什么，根据上述的原则进行狭缝、光栅和探测器的选择。【实验内容】1. 用光纤光谱仪测量高压汞灯的光谱，检查光谱仪是否需要波长校准。2. 分别对热辐射源、发光二极管、光谱灯进行光谱测量。3. 测量氢原子发射谱，找出巴尔末线系的谱线，验证波尔轨道理论。4. *测氢-氘谱，通过波长差求出质子与电子的比值。 实验步骤1光谱仪进行定标1.1认真光谱仪介绍部分或阅读光谱仪说明书，弄清光谱仪扫描、寻峰等功能的应用。1. 2打开计算机，开光谱仪电源开关。打开高压汞灯。1. 3用鼠标点击 morpho2011，运行光谱仪控制软件。1. 4. 1定标需要用有特征谱线的光源作为参考，本实验采用高压汞

14、灯作参考光源，其 特征谱线为 404.66 nm, 407.78 nm, 435.84 nm, 546.08 nm, 576.96 nm, 579.07 nm。1 . 4.2进入普通探测模式，打开工具|光谱定位工具栏，在光谱定标工具栏中依次填入6个参考波长，点击显示定标线按钮，在光谱窗口中显示这6个波长对应的参考线。若参考线与光谱线相应六个峰值吻合则说明不需要定标，若有偏差用鼠标拖动参考线 使六根参考线分别与相应峰值吻合，参考相与对应特征值之间的差异小于半缝宽即可 认为达到吻合。然后按光谱定标按钮完成定标。再次按定标线按钮关闭过程。2典型光源光谱测量分别选择好合适的“扫描范围”，“积分时间”和

15、“平均次数”，对热辐射源（白 炽灯）、发光二极管、汞灯 546.1 nm线（或氢灯656.28nm线）进行光谱测量，求出光 谱的半线宽。画出该谱线强度分布简图。并求出相干长度。在测量时要注意调节光源的位置和强度。3氢光谱测量3. 1通过计算求出巴尔末线系的光谱范围，确定谱线出现的位置。见（4）式（n=3时， =656.28nm）3. 2换氢灯，设置的比较低的平均次数和适当积分时间，在“续测量”模式下，移动 氢光谱灯的位置，使 656.28位置谱线信号达到信号足够大，并且不超出显示范围（70000 ）初步扫出氢原子光谱。3. 3再对平均次数和积分时间进行适当调节使谱线能够达到最佳的信噪比。3.

16、4根据巴尔末线系的范围，扫描出整个谱线系（参考范围：370660nm）。3. 5找出巴尔末线系的谱线，用最小二乘法求得氢原子的里德伯常数，求与公认值的百分差，验证波尔原子轨道理论。并画出谱线分布简图（谱线位置-强度）。3. 6*找出合适的光谱灯位置，分开氢氘谱线，扫描出谱线（或用CCD测量）。4. 发光二极管光谱半宽度和相干长度的测量4. 1换用发光二极管扫描出它的谱线，测出谱线最大光强处的波长值.0再测出谱线最大强度值的 1/2处的波长值1、2。计算出谱线的半宽度 A. =|，1-2|，与相干长度2./0-L =4. 2分别测出2种发光二极管的半宽度和相干长度。4. 3画出谱线强度分布简图。

17、5. 热辐射源光谱观察。5. 1换用白炽灯，扫描其光谱，观察其谱线【注意事项】1 光谱灯换挡时，一定要切断电源。2 测量光谱时，要根据谱线的强度，设置适当的平均值和积分时间。3 光谱仪轻拿轻放，试验时尽量不要移动光谱仪。【思考题】1. 光谱仪测得的谱线强度和那些因素有关，实验中如何利用它们？2. 你能从巴尔末线系谱线强度找到什么规律，并从理论上说明。*3. 实验中，谱线强度相差太大，怎样才能尽可能多的看到谱线。4. 如何在谱线强度相差几个数量级情况下，画出谱线分布图。【参考文献】1 褚圣麟.原子物理学.北京：人民教育出版杜，1979年2 吴思诚，王祖铨.近代物理实验（一）.北京：北京大学出版社，1989年3 李富铭，刘一先.光学测量.上海科学技术文献出版社，1986年4 上海复享仪器设备有限公司morpho软件使用手册E820光纤光谱仪说明书。