指导教师： 得分：
实验时间： 2010 年 05 月 05 日， 第 十 周， 周 三 ， 第 5-8 节
实验者： 班级 材料0705 学号 ********* 姓名 童凌炜
同组者： 班级 材料0705 学号 *******07 姓名 车宏龙
实验地点： 综合楼 408
实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压
实验仪器：（注明规格和型号）
WGD-6光学多通道分析仪，GY-8型多组放光灯
实验仪器结构图如右所示：
实验目的：
2.掌握测量里德伯常量的方法，并加深对氢光谱规律的理解。
3.理解氮，氦，氖的光谱结构。
实验原理简述：
光谱的定义：光的频率成分和强度分布的关系图。它是研究原子结构的重要途径之一。牛顿在1704年就说过了如果要了解物质的内部情况，只要看其光谱就可以了。
光谱的测量：光谱是用光谱仪测量的。光谱仪的种类很多，但基本结构和原理几乎一样，大都由3部分组成：光源，分光器和记录仪。
1885年，人们从光谱仪中观察到氢光谱线已经14条。同年，巴耳末在对这些线谱进行分析研究后，提出1个经验公式，依此可以计算可见光区的谱线的波数
式中，B=364.56是个常数。根据上式计算波长的数值在实验范围内预测到得数值完全一致，后人称上式为巴耳末式，从而将它所表达的一组线谱（均落在可见区域）成为巴耳末系。 1889年里德伯提出1个普遍方程：
这就是里德伯方程，氢的所有谱线都可以用这个方程表示，RH=4/B称为里德伯常量，在此也是经验参数，式中，n=1，2，3…时，对于每个n构成1个线系，例如：
n=1，n‘=2，3，4…,此光谱处于紫外区，1914年有莱曼发现称为莱曼系。
n=2，n‘=3，4， 5，6…此光谱线处于可见光区，称为巴尔末系（1885年），其中最著名的红线是瑞典人埃格斯特朗在1853年首先测到的。
n=3，n‘=4，5，6，7…，光谱线处在红外区，1908年由帕刑发现的，称为帕刑系。
n=4，n‘=5，6，7,8…，光谱线处于红外区。1922年布拉发现的，称为布拉系。
从里德伯方程中可知，氢的任一谱线都可以表达为两个光谱项之差，氢光谱是各种光谱项差的综合。表面如此繁复的光谱线竟然由上式简单的表述出来。这是一项出的成果，但这项经验之果为什么能与实验事实符合的如此之好，在30年后，这个谜由波尔把量子学说引入卢瑟福模原子核式模型得到揭晓，原子物理也从此展现新的篇章。
1913年，丹麦物理学家玻尔突破了经典物理学的局限，提出他的氢原子理论，其主要内容
为：
1.原子只能处于一系列不连续的能量状态，在每个状态中，原子的能量都是确定的，这些能量值叫做能级。
2.原子可以从一个能级跃迁到另一个能级，原子在由高能级向低能级跃迁时，放出一个光子；在吸收一个光子或通过其他途径获得能量时，则由低能级向高能级跃迁。
如下图所示，氢原子光谱是最简单，最典型的原子光谱。
用电激发氢放电管中的稀薄氢气，即可得到线状的氢原子光谱。
根据玻尔理论，氢原子的能级公式为
式中，称为约化质量，为电子质量，M为原子质量，氢原子的。
电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量为两能级间的能量差
（m）
如以波数表示，则为下式
式中，为氢原子的里德伯常量；T(n)为氢原子的光谱项，它与氢能级E（n）是对应的。
由可以得到氢原子各能级的能量
式中，h=4.13567
由能谱图示可知，从的跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律为
除氢原子外，量子物理揭示出其他类氢原子也有类似的光谱规律，原子发出的各种频率的光是重合在一起的，为了观察和测量原子光谱，必须将原子光谱的谱线分开。
最精确最简单的方法是利用光栅衍射，即使用光栅光谱仪。
在光栅光谱仪中，最常使用的是反射式闪耀光栅。如右图所示，锯齿形是光栅刻痕形状。现在考虑相邻刻槽的相应点上反射 的光线。PQ和P`Q`是以I角入射的光线。QR和Q`Rdantax`是以I·角衍射的两条光线。 PQR和P·Q·R·两条光线的光程差是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
风钻工时，光强有一极大值，或者说将出现一条亮的光谱线。以相同入射角从入射的光，同一级衍射条纹（k）相同，不同波长（频率）的光将以不同的衍射角出射。从而将光谱线分开（称为散）。同时，根据衍射角的不同，还可以计算出波长。
实验步骤简述：
A.实验准备
i.打开计算机，光学多通道分析仪，多组放电灯。
ii.熟悉WGD-6型光学多通道分析仪和GY-8型多组放电灯的使用。
iii.熟悉WGD-6型光学多通道分析仪测量光谱的计算机软件的使用。
iv.清除背景，对准狭缝。关闭汞灯，测量背景。
B.测量原子光谱
由于可见光的范围为390-700nm，CCD一次曝光只能记录160nm的波长范围，因此探测可见光的第一级光谱，要拍摄两帧的CCD图像。
v.使用测量光谱的计算机软件，将中心波长手动移至460nm处，打开汞灯，对准狭缝，点击实时，拍摄得到380-540nm范围内的汞原子光谱。
vi.根据已知的汞原子光谱各谱线的波长，对汞原子光谱进行定标。详见附录。点击手动定标，输入已知汞光谱线的波长，确认无误后，点击定标。注意避免误操作。
vii.分别换上氢灯，氮等，氦灯，氖灯拍摄氢，氮，氦，氖等原子在380-540nm范围内光谱。点击寻峰。
viii.将中心波长移动到620nm处，打开汞灯，拍摄540-700nm范围内的汞原子光谱。
ix.根据已知的汞原子光谱各谱线的波长，对测得的汞原子光谱进行定标。
x.分别换上氢灯，氮等，氦灯，氖灯拍摄氢，氮，氦，氖等原子在540-700nm范围内光谱。
C.实验结束
xi.退出软件管理系统
xii.关闭计算机
xiii.关闭电控箱电源
xiv.关闭灯
原始数据、 数据处理及误差计算：
实验中得到的定标数据及测量数据如下所示：
1. Hg灯定标数据
Hg |
| n | N | A | λ/nm |
380nm~540nm | 1 | 296 | 3681 | 404.66 |
2 | 700 | 10716 | 435.83 |
540nm~700nm | 3 | 55 | 11897 | 546.07 |
4 | 454 | 2443 | 576.96 |
| | | | |
2. H、N、Ne、He灯的测量数据
H |
| 380nm~540nm | 540nm~700nm |
n | 1 | 2 | 3 | 4 |
A | 640 | 1168 | 6566 | 6876 |
λ/nm | 410.06 | 433.9 | 485.9 | 656.08 |
| | | | |
N |
| 380nm~540nm | 540nm~700nm |
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 7 | 8 |
A | 1975 | 2905 | 2339 | 1683 | 1698 | 3141 | 1246 |
λ/nm | 393.78 | 399.26 | 405.35 | 419.47 | 426.34 | 673.97 | 662.12 |
| | | | | | | |
Ne |
| 380nm~540nm | 540nm~700nm |
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
A | 915 | 828 | 904 | 1583 | 1520 | 1567 | 1575 | 信用风险 1425 | 2761 | 1612 |
λ/nm | 503.57 | 507.89 | 511.44 | 532.81 | 533.81 | 585.24 | 614.2 | 633.32 | 640.13 | 650.51 |
| | | | | | | | | | |
He |
| 380nm~540nm | 540nm~700nm |
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 7 | 8 |
A | 7335 | 6096 | 3054 | 11649 | 2084 | 2845 | 2281 |
λ/nm | 388.69 | 446.94 | 471.01 | 501.18 | 504.42 | 587.57 | 667.62 |
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3. 数据处理过程
3.1 计算氢的里德伯常量
氢原子巴尔末线系 | Hα | Hβ | Hγ | Hδ |
m | 3 | 4 | 5 | 6 |
λ/nm | 656.08 | 485.9 | 433.9 | 410.06 |
σ/m-1 | 1524204.365 | 2058037 | 2304678 | 2438668 |
RH/m-1 | 10974271.43 | 10976195.38 | 10974659.51 | 10974003.8 |
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3.2 计算里德伯常量的平均值
由上页表中四个分别计算得到的里德伯常量可以得到实验结果的平均值是：
RHavg= 10974782.53 m-1
推荐的理论值为： R∞=10973731.568549 m-1
3.3 计算测量误差
建国方略读后感相对误差百分数为
思考题， 实验感想， 疑问与建议：
1. 光源的位置不同， 是否得到不同的谱图？ 是否影响波长测量的准确度？
光源位置不同影响的是狭缝接收到的光亮度， 所以如果图谱的标尺没有更改的话， 谱图是肯定发生变化的； 尖峰的高度会变化。 而且通过在实验中的实际操作发现， 狭缝接收到
的光强发生变化的话， 谱图的尖峰锐度会发生变化， 即峰会变得平缓或者尖锐； 如果亮度不足， 峰顶呈圆包装而不是明细的竖线， 那么对寻峰以及之后的测量结果会带来一定的影响。
2. 测量中对入射狭缝宽度有有什么要求？ 狭缝宽度是否要相同？
湖南御邦大宗农产品交易所由实际操作分析可知， 实验对狭缝宽度并无要求， 因为入射光强并不会影响入射光的波长分布， 所以实验中狭缝的宽度是可以调节的， 并不需要保持相同； 而应以所看到的谱线便于读数为准。
3. 谱线计算值具有唯一的波长， 而N实测谱线具有一定的宽度， 其主要原因是什么？
因为N并不是严格意义上的类氢离子， 其外层轨道有一个以上的自由电子， 所以会发生轨道杂化等相关作用； 进而使得其电子在轨道间的跃迁不想类氢原子那么简单； 很可能出现能量级别非常接近的跃迁光谱系组， 所以从谱线上看就会出现聚集在一起而形成的宽峰， 而不是明锐的尖峰。
4. 氢原子光谱巴尔末系的极限波长是多少？
极限波长是指从最高能级跃迁到第二能级的电子所发出的对应光子的波长； 应用里德伯公式， 取极限状况， 可以得到： RHlimit=1/（10973731.568549 m-1*1/4）=364.506nm
5. 理论的里德伯常数R∞是如何得到的？
从实验的数据和相关原理可以分析， 每一种类氢原子， 测量其光谱， 并根据测得的光谱计算， 都可以的得到一个对应的里德伯常数RH， 而不同的原子测得的RH符合一定的规律， 按照这些RHi向后进行数学推算， 最终能够使得计算结果收敛于一个稳定值， 这个稳定值就是R∞。
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