测量氢原子光谱(带数据).doc

实验三十四 观测氢原子光谱
【目的要求】
1.测定氢原子巴尔末系发射光谱的波长和氢的里德伯常量；
2.了解氢原子能级与光谱的关系，划出氢原子能级图；
3.了解光栅的分光作用。
【仪器用具】
氢灯，汞灯，平面透射光栅，分光计，放大镜，平面镜。
【实验原理】
1.光源与光谱
白炽灯等热辐射光源的发射光谱为连续谱；氢灯、汞灯、钠灯等原子气体（或金属蒸气）放电时发射的光谱为分立的线光谱；分子气体、液体和固体的发射光谱多为带光谱。
2.光栅的分光原理
当一束平行光垂直入射到光栅平面上，衍射光满足光栅方程
（1）
式中为光栅常数，为衍射角，为衍射级数，为入射光波长。
3.氢原子光谱
图34—3是氢原子的能级图。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： （2）
又因： 所以有：
若以波数表示，则上式变为
（3）
式中称为氢原子的里德伯常量（单位是）。从可得氢原子各能级的能量
（4）
式中是普朗克常数，为真空中的光速。
当电子从（）至跃迁时，光子波长位于可见光区，称为氢原子的巴尔末系。其光谱符合规律
（5）
如果测出可见光区巴尔末系四条谱线的波长，可由式（5）计算出氢的里德伯常量。
【实验内容】
1. 仪器调节.
望远镜聚焦无穷远；平行光管产生平行光；使望远镜和平行光管的光轴都垂直仪器转轴，光栅平面与平行光管光轴垂直；光栅的刻痕与仪器转轴平行。
（1）调节分光计.
①粗调.
②调节望远镜聚焦无穷远，以及光轴垂直仪器转轴（平面镜与连线平行，调节）.
③调节平行光管产生平行光.（用汞灯调节）
④调节平行光管光轴垂直仪器转轴：调节平行光管的倾角螺钉使狭缝像相对“╪”准线的中央横线上下对称.
（2）光栅的调节.
① 调节光栅平面与平行光管光轴垂直.（三线重合）
用望远镜对准平行光管，使望远镜目镜中的竖直准线对准汞灯的狭缝像，然后固定望远镜；将光栅平面垂直连线放置，调节、使光栅平面反射回来的亮“十”字像落在线上。转动游标盘使亮“十”字像落在与交点处，即光栅平面与望远镜垂直。
② 调节光栅刻痕与仪器转轴平行.
调节使望远镜中观察到的正负级谱线等高，即使正负级谱线被平分（可固定望远镜，转动游标盘观察）。然后，返回来再检查光栅平面是否与平行光管光轴垂直，如此反复调节，直到以上两个条件同时满足。
此时，固定游标盘，并在以后的测量中不要再动光栅。
2. 测定光栅常数.
(1) 以汞灯为光源，观察和记录汞原子光谱的形式、颜色、分布特点，以及它们的偏折情况。
(2) 测量级、波长为的绿光的衍射角，如下所列：
表1：角（汞光源衍射角）测量数据表 分光计

谱线
左游标读数
右游标读数
左右平均读数

(3) 将衍射角代入方程（1）计算光栅常数.
9872.3nm
3. 观测氢原子光谱.
(1) 用氢灯替代汞灯照亮狭缝，并使其位于平行光管的光轴上，观察和记录氢原子巴尔末系光谱的形式、颜色、分布特点以及它们的偏折情况。
(2) 测量巴尔末系级（红色）、（蓝色）、(紫色)三条谱线的衍射角，如下所列：
表2：，，角（氢光源衍射角）测量数据表 分光计

谱线
左游标读数
右游标读数
左右平均读数

3. 观测巴尔末系中强度较弱的级（紫色）谱线（取决于氢灯质量）。
4. 将衍射角的平均值和光栅常数代入光栅方程（1），计算巴尔末，，两条条谱线的波长。
483.69nm 652.84nm
5. 将巴尔末系，，三条谱线的波长代入式（5），计算里德伯常量的平均值。
110262.381/cm 110286.611/cm
110274.49
相对误差 ： 0.49%

6. 根据式（4）画出以及的能级图（单位用eV，小数点后取两位），并标出，，，各谱线对应的是哪两个能级的跃迁。