1-1氢(氘)原子光谱

专题实验1光谱的测量与分析1.1氢（氘）原子光谱原子光谱是建立量子理论的实验基础。1885年，巴尔末（J.J.Balmer）根据已有的观测结果，提出氢光谱线的经验公式。波尔（N.Bohr）1913年2月看到这一公式，3月6日就建立了氢原子理论；海森堡（W.Heisenberg）在1925年提出量子力学理论也是基于原子光谱的实验成就；光谱的精细结构使人们认识到核外电子的运动状态除了存在主能级量子化以外，还有亚能级量子化。1932年，尤里（H.C.Urey）将3liter液态氢在低压下缓慢蒸发至1ml后，注入放电管，拍摄其巴尔末线系光谱，发现在普通氢（氕）每条谱线的短波侧都出现一条弱的伴线，从而证实了氘的存在。这是原子核质量差异导致里德伯常数发生变化的结果，称为同位素移位。对于重核，同位素移位并不明显，但是中子数不同会引起核自旋发生改变，光谱结构还是会复杂化，这就是所谓的超精细结构。今天，原子光谱仍然是研究原子结构的重要方法。一、实验目的（1）了解光栅光谱仪等常见光谱分析仪器的原理和使用方法；（2）通过测量巴尔末线系的谱线波长，计算氘的里德伯常数。二、实验原理原子虽然是元素的最小单元，但还具有复杂的核式内部结构，核外是绕核运动的电子。α粒子散射实验肯定了原子的核式结构，而对核外结构的认识则是从光谱研究开始的。光谱记录了电磁辐射随波长变化的强度分布，是研究原子结构的重要手段。通过测量原子发光光谱中各谱线的波长，可以推算出原子的能级结构，从而得到有关原子微观结构的信息。光谱主要指发射光谱或吸收光谱。发射光谱是由发光体直接产生的光谱，例如，由炽热的固体、液体和高压气体发光形成的连续光谱和由稀薄气体或者金属蒸汽发光形成的明线光谱都属于发射光谱。吸收光谱则是连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。吸收光谱中的每条暗线都与物质的特征谱线相对应。在所有的元素中，氢的原子结构最简单，从氢原子明线光谱理解原子的核外结构也最直观。氢原子光谱对原子物理学的早期发展做出了特殊的贡献。到1885年，从星体的光谱中共观察到14条氢原子的谱线，瑞士数学教师巴尔末发现这些谱线的波长λ可以纳入一个统一的公式422nnB（n=3，4，5，…），（1.1.1）B为常数。这14条谱线称为巴尔末线系。为了更清楚地表明谱线分布规律，瑞典物理学家里德伯将巴尔末公式改写成如下形式22111~nmRH（n=m+1，m+2，m+3，…）（1.1.2）式中为波数，RH称为氢的里德伯常数。对每一个整数m，所有的n形成一个线系。对于巴尔末线系，m=2。随后发现的赖曼线系（m=1）、帕刑线系（m=3）以及其他线系都符合里德伯公式。丹麦科学家波尔受巴尔末公式以及普朗克量子学说的启发，以卢瑟福的有核原子模型为基础，建立了氢原子理论。根据波尔理论，原子的能级是量子化的，即具有能级。每条发射光谱线都是原子中的电子从一个较高的能级跃迁到另一个较低的能级而释放能量的结果。经过推导，对巴尔末系有2232042121)/1()4(2~nMmchme，n=3，4，5，…（1.1.3）式中e为电子电荷，h为普朗克常数，c为光速，m为电子质量，M为氢原子核质量，ε0为真空介电常数。将（1.1.3）与（1.1.2）式比较，可得里德伯常数为)/1()/1()4(232042MmRMmchmeRH（1.1.4）其中R∞代表将原子核的质量视为无穷大（即假定核固定不动）时的里德伯常数。同理，根据巴尔末公式，对氢的同位素氘有221211~nRD，n=3，4，5，…（1.1.5）测量元素及其同位素的里德伯常数，是对元素及其同位素的光谱进行分析的重要环节。用光谱仪测量出谱线的波长，识别出各自的n，就可以计算出里德伯常数。氢、氘原子光谱巴尔末线系的波长及里德伯常数公认值见表1.1.1。表1.1.1氢和氘巴尔末线系原子光谱的波长及里德伯常数三、实验装置本实验使用WDS-8A型组合式多功能光栅光谱仪系统测量光谱，用氘灯作为光源，用光学平台进行减震。光谱仪采用反射式闪耀光栅作为分光元件，如图1.1.1所示，相邻刻槽间的距离d称为光栅常数。考虑从相邻刻槽的相应点上反射的光线，QQ′的长度为d，入射光线PQ和P′Q′的入射角为i（与光栅法线的夹角），衍射光线QR和Q′R′的衍射角为i′。PQR同位素氢氘λ（nm）656.280486.133434.047410.174397.007656.100485.999433.928410.062396.899RH(D)（×105cm-1）1.09677581.0970742R∞（×105cm-1）1.0973731和P′Q′R′这两条光线的光程差为d(sini+sini′)。当光程差满足光栅方程kiid)sin(sin，k=±1,±2,…（1.1.6）时，光强为极大。对同一级（同一k）亮条纹，根据i和i′就可以确定衍射光的波长。闪耀光栅将同一波长的衍射光集中到某一特定的级i上，增强了衍射光强度。为提高闪耀光栅的分辨本领，即增大不同波长入射光的衍射角度的差值，需要减小光栅常数。图1.1.1闪耀光栅示意图WDS-8A型组合式多功能光栅光谱仪系统由光学系统、电子系统和软件系统三部分组成，结构框图及实物照片见图1.1.2所示。图1.1.2WDS-8A型组合式多功能光栅光谱仪系统单色仪电子系统箱显示器计算机键盘电子系统软件系统打印机QQ'ii'ii'PP'RR'光学系统光谱仪光学系统的原理如图1.1.3所示。其中，M1为准光镜、M2为物镜、M3为转镜、G为1200lines/mm平面衍射光栅（由此可以确定光栅常数d）、S1为入射狭缝。通过旋转M3来选择出射狭缝是S2或S3，从而选择接收器件类型。S2前方安装的是光电倍增管（PMT），而S3位置安装的是电荷耦合器件（CCD）摄像头。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M1的焦面上，通过S1射入的光束经M1反射成为平行光束投向平面光栅G，衍射后的平行光束经物镜M2成像在S2处，或经物镜M2和平面镜M3成像在S3处。光栅的闪耀波长为250nm（=2dsinθ，θ是光栅法线与槽面法线之间的夹角，称为闪耀角），PMT和CCD的探测波长范围分别为200-660nm和320-660nm。系统的波长精度为±0.4nm，波长重复性为±0.2nm。狭缝宽度连续可调，但为了安全，一般限定在0.01-2mm范围内使用。用步进电机驱动平面光栅G旋转，根据旋转的角度就可以确定接受信号对应的波长。本实验用PMT进行光谱测量。电子系统主要由电源系统、接收系统、信号放大器系统、A/D转换系统和光源系统等5部分组成。电源系统为仪器提供所需的工作电压。贴近出射狭缝的接收系统将光信号转换成电信号。信号放大器系统包括前置放大器和放大器两部分。A/D转换系统将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行处理。光源系统为仪器提供工作光源，如氘灯、钠灯等各种光源。除了狭缝宽度和光电倍增管高压需要手动进行调节，WDS-8A型多功能光栅光谱仪的其他控制和光谱数据读取均由计算机来完成。软件系统的主要功能包括仪器系统复位、仪器系统各种控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数据文件管理及光谱数据的各种计算处理等。图1.1.3光学系统原理图仪器测量或平常不使用时，要将狭缝宽度调节到0.1-0.5mm之内的安全范围。狭缝宽度完全调到0，会使狭缝的两边挤压在一起，容易引起变形（实验中也要注意不可以调节为0，更不能为负）；狭缝宽度过宽，则进入光谱仪的光强太强，容易损坏敏感元件。操作中需注意对仪器防震以减小测量的误差和保护仪器（保证仪器的性能指标和延长使用寿命）。在每次开机前，可以先将入射狭缝宽度、出射狭缝宽度分别调节到0.1mm左右，待仪器系统复位完毕后，再根据测试和实验的要求分别调节入射狭缝和出射狭缝到合适的宽度。仪器的入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，顺时针方向旋转调解旋钮为宽度加大方向。每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。最大狭缝宽度不要超过2mm，以延长设备的使用寿命及保证PMT的测量精度。在氘原子光谱实验中，入射缝宽不需要超过1mm，高压在-300V到-500V范围。电控箱包括电源、信号放大、控制系统和光源系统。在运行仪器操作软件前一定要先打开电控箱的开关，否则不能保证计算机能够识别光谱仪硬件。软件通过快捷键和下拉菜单来操作仪器。常用快捷键有新建、打开、存盘、打印、采3S1M2M1S2SCCD光源PMTG3M集、参数设置、读取数据、峰值检索、刻度扩展、检索中心波长、放大、缩小、屏幕刷新等。主菜单有五项：文件、采集、数据处理、系统操作和帮助。四、实验内容小心地揭开防尘布（防止碰倒光源和松脱连线），折叠好后放在安全的地方。熟悉设备实物后，检查系统电路的连接，选择PMT探测器（光学系统箱左侧面CCD头下面的推拉杆，决定M3是否加入光路，见图1.1.4中的CCD/PMT选择），确认狭缝的宽度在安全范围内（0.1-0.5mm之间）后，按以下步骤进行操作。图1.1.4光缝调节和CCD/PMT选择1．开启氘灯源，进行预热，以便使光源发光稳定。2．按如下顺序开启光谱仪电源：开显示器→开打印机→开电气系统→开微机主机。打印机不用可以不开。3．运行使用PMT探测器模式的系统操作软件，系统开始进行初始化。4．手动调整好PMT高压（一般小于400V，可以从300V左右开始）和缝宽（包括入射和出射两个狭缝），记入表1.1.2（实验报告中自行将此表改为三线表）。5．在微机上设置系统参数，使测量的起止波长为最宽的200-660nm、光强（能量）的显示范围为最大的0–4095（对应起始能量和终止能量，只代表A/D转换器采集到的相对能量值，没有单位）、扫描速度为较快的0.5nm（数值代表波长的取点间隔，即步长）等。开始光谱扫描，得到粗略的光谱（PMT高压过低可能找不到谱线，这时要加高电压后重新测量）。改变系统参数中的显示光强最大值，使谱线高度合适，点“选取数据”找出并记录3条巴尔末系谱线的粗略波长（可以将谱线打印出来，在图上标记）。6．点“停止”，退出数据读取模式，重新在微机上设置系统参数，使波长取点间隔为最慢的0.005nm，测量的起止波长分别在任意一条巴尔末系谱线粗略波长前后的1-2nm范围，开始光谱扫描。扫描结束后，改变系统参数中的显示光强最大值，使谱线高度合适。读取巴尔末线系谱线峰值处的精确波长，记入表1.1.2。按此方法精确测量3条巴尔末系谱线。7．手动改变缝宽和PMT高压，适当改变系统参数中的显示最大光强值，重复步骤6。8．根据不同缝宽和PMT电压条件下测得的波长数据，选择正确的n值，带入（1.1.5）式计算里德伯常数。然后参考里德伯常数表，结合实验原理和实验仪器对主要的误差来源进行分析。光学系统（光谱仪）CCDPMTCCD/PMT选择零点的位置：逆时针旋转旋钮露出竖线左侧的第一条横线(0.5mm刻度线)，再继续旋转一周使旋钮的0与竖线接近对齐。注意：最大宽度不能超过2mm。光学系统（光谱仪）CCDPMTCCD/PMT选择零点的位置：逆时针旋转旋钮露出竖线左侧的第一条横线(0.5mm刻度线)，再继续旋转一周使旋钮的0与竖线接近对齐。注意：最大宽度不能超过2mm。9．将缝宽都调节到0.01-0.05mm安全范围，高压调到零，关闭仪器、光源和打印机的电源。关闭电源的顺序为：退出软件→关微机主机→关电子系统→关显示器→关光源→关打印机。10．处理和分析实验结果，填写实验报告11．整理实验台，盖好防尘布，清理卫生，填写设备使用记录，关好水电门窗，请指导教师签字后退室。表1.1.2氘巴尔末线系原子发射光谱的波长及里德伯常数测定高压(V)狭缝宽度(mm)谱线1谱线2谱线3λ(nm)RD(105cm-1)λ(nm)RD(105cm-1)λ(nm)RD(105cm-1)入射出射平均值五、思考题1．在测量中，缝宽和高压如何影响测量结果？为什么？2．如何合理选择入射狭缝的宽度？参考文献[1]