光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱的测量结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素——氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原理论可靠性的标准和测量其它基本物理常数的依据。
【实验目的】
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2． 用光栅光谱仪测量氢（氘）原子光谱巴尔末县系的波长，求里德伯常数。【实验原理】
使徒行传查经
原子光谱是线光谱，光谱排列的规律不同，反映出原子结构的不同，研究原子结构的基本方法之一是进行光谱分析。
氢（氘）原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式为：
4
22
:-=n n B H
疯狂英语中学版λ
式中H λ为氢原子谱线在真空中的波长，nm B 56.364=， 5,4,3=n 。
若用波数λν
1~=表示谱线，则（？-1）式可改写为： ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22222212
1121441~n R n B n n B H ν 式中H R 为里德伯常数。
根据波尔理论，可得出氢和类氢原子的里德伯常数为：
()()M
m 1R M m 1m
c h 4z e 2c
h 4z e 2R 3
204
43204
42z +=+⋅
=
=
∞πεππεμπ 其中：M 为原子核质量，m 为电子质量，e 为电子电荷，C 为光速，h 为普朗克常数，0
ε为真空介电常数，z 为原子序数。当∞→M 时，可得里德伯常数为：
()
c
h z me R 3
2
04
4242πεπ=
∞
里德伯常数∞R 是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上有重要意义，它的公认值为：1m 568549.10973731R -∞=。
对于没有测定的某些元素的里德伯常数为：
M
m 1R R z +=
∞
应用到氢和氘为：
H H M m 1R R +=
∞
D
D M m 1R R +=
∞
可见，氢和氘的里德伯常数是有差别的，其结果就是氘的谱线相对于氢的谱线会有微小的位移，叫同位素位移。H λ和D λ是能够直接精确测量的量，测出它们，也就可以计算出氢和氘的里德伯常数。
【 WGD-8A 型光栅光谱仪原理】
WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D 采集单元、计算机组成。光学原理如图所示。 入射狭缝、出射缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm 连续可调（顺时 时针狭缝变宽，逆时针狭缝变小），光 源发出的光束进入狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G （2400条/mm ，波长范围200-660nm ）上，衍射后的平行光束经M3成像在S2（光电倍增管接收）或S3（CCD 接收）上。
在光栅光谱仪中长使用反射式闪耀光栅。如图2所示。锯齿型是光栅刻痕形状。现考虑相
邻刻槽的相应点上反射的光线。PQ 和Q P ''是以I 角入射的光线。PR 和R Q '
'是以I '角衍射的两条光线。PQR 和R Q P '''两条光线之间的光程差是()I sin I sin b '+，其中b 是相邻刻槽间的距离，称为光栅常数。当光程差满足光栅方程
Q Q '
() ,2,1,0 ,sin sin ±±=='+k k I I b λ
时，光强有一及大值，或者说将出现一条亮的光谱线。
对同一k ，根据I 、I '可以确定衍射光的波长λ，着就是光栅测量光谱的原理。闪耀光栅将同一波长的衍射光集中到某一特定的级k 上。
为了对光谱进行扫描，将光栅安装在转盘上，转盘由电极驱动，转动转盘，可以改变入射角I ，改变波长范围，实现较大波长范围的扫描，软件中的初始化工作，就是改变I 的大小，改变测试波长范围。 【实验步骤】
1．准备
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（1） 将转换开关（机箱后板）置“光电倍增管”挡（本实验用光电倍增管接收），接通电箱
电源，将电压调至400~500V 。根据光源等实际情况，调节1S 、2S 、3S 狭缝。顺时针旋转狭缝增大，反之减小。旋转一周狭缝宽度变化0.5mm 。为保护狭缝，最大不超过2.5mm ，也不要使狭缝刀口相接触。调节使动作要轻。
（2） 打开电脑，点击WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪控制处理软件，选择光电倍增管。 （3） 初始化。屏幕显示工作界面，弹出对话框，让用户确认当前的波长位置是否有效、是
否重新初始化。如果选择确定，则确认当前的波长位置，不再初始化；如果选择取消，则初始化，波长位置回到200nm 处。
（4） 熟悉界面。工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设
置区以及寄存器信息提示区等组成。菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数字”、“数据图形处理”、“关于”等菜单项，与一般的Windows 应用程序类似。
2、参数设置。
工作方式。模式：所采集的数据格式，有能量、透过率、吸光度、基线。测光谱时选择能量。间隔：两个数据点间的最小波长间隔，根据需要在0.01~1.00nm 之间选择。
工作范围。在起始、终止波长（200~660nm ）和最大、最小值4个编辑框中输入相应的值，已确定扫描时的范围。
负高压：设置提供给倍增管的负高压大小，设1~8共8档。增益：设置放大器的放大率。设1~8档。
飞利浦220cw9采集次数。在每个数据点，采集数据区平均的次数。拖动滑块，可在1~1000次之间改变。
在参数设置区中，选择“数据”项，在“寄存器”下拉列表框中选择某一寄存器，在数据框中显示该寄存器的数据。参数设置区中，“系统”、“高级”两个选项，一般不用改动。 3、波长定标
（1） 取下氘灯，把汞灯置于狭缝1前，使光均匀照亮狭缝。
（2） 用鼠标点击新建，再点击单程进行扫描，工作区内显示汞灯谱线图。 （3） 下拉菜单“读取数据”—“寻峰”—“自动寻峰”，在对话框中选择好寄存器，进行寻峰，
读出波长，与汞灯已知谱线（附后）波长进行比较。
（4） 下拉菜单“工作”—“检索”，在对话框中输入需校准的波长值，当提示框自动消失时，
R
R '闪耀光栅示意图
图 2
波长被校准。
4、氢（氘）原子光谱的测量
（1） 将光源换成氢（氘）灯，测量氢（氘）光谱的谱线。注意：换灯前，先关闭原来的光源，选择待测光源，再开启光源。
（2） 进行单程扫描，获得氢（氘）光谱的谱线，通过“寻峰”求出巴尔末线系前3~4条谱线的波长。
注意：在单程扫描过程中发现峰值超过最大值，可点击“停止”。然后寻最高峰对应的波长，
进行定波长扫描。同时调节狭缝，将峰值调到合适位置。然后将波长范围设置成
200~660nm ，再单程扫描。扫描完毕，保存文件。
【实验内容】
1、 熟悉WGD-8A 型多功能光栅光谱仪的结构、工作原理及软件操作系统。
2、 用汞灯对光栅光谱仪进行定标，保存定标前后的谱图。
3、 测量氢（氘）光谱的谱线，通过“寻峰”求出巴尔末线系前3~4条谱线的波长。保存谱图，
计算各谱线的里德伯常数)R (R D H ，然后求出平均值。 4、 计算普适里德伯常数 R ，并与推荐值比较，求相对误差。
附：汞灯标准谱线
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