光譜儀和光譜儀的測量

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1、××大學實驗報告學生姓名：×××學號：2222222222專業(yè)班級：×××××實驗類型：□驗證□綜合□設(shè)計□創(chuàng)新實驗日期：××××實驗成績：光譜儀和光譜儀的測量光譜是光源所發(fā)射的輻射強度隨波長（頻率）的分布，它反映了光源的構(gòu)成物質(zhì)和其它的一些特性。我們今天所掌握的有關(guān)原子和分子結(jié)構(gòu)方面的知識絕大部分都來自光譜的研究。在電磁輻射和物質(zhì)相互作用時能觀察到吸收或發(fā)射光譜，它們從多方面提供了原子和分子結(jié)構(gòu)和它們與周圍環(huán)境相互作用的信息。因此，光譜的觀察在科學研究和生產(chǎn)生活中有著十分重要的意義。【實驗目的】1.掌握光柵光譜儀的工作原理和使用方法，學習識譜和譜線測量等基本技術(shù)。2.通過光譜測量

2、了解一些常用光源的光譜特性。3.通過所測得的氫（氘）原子光譜在可見和近紫外區(qū)的波長驗證巴爾末公式并準確測出氫（氘）的里德堡常數(shù)。4.測出氫、氘同位素位移，求出質(zhì)子與電子的質(zhì)量比?！緦嶒瀮x器】光柵光譜儀、光譜燈、發(fā)光二極管、熱光源、氫燈【實驗原理】1.典型光源光譜發(fā)光原理（1）熱輻射光源這一類光源特點是物體在發(fā)射輻射過程中不改變內(nèi)能，只要通過加熱來維持它的溫度，輻射就可繼續(xù)不斷地進行下去．這類光源包括我們常用的白熾燈、鹵素燈、鎢帶燈和直流碳弧燈等一些常用光源。它們光譜是覆蓋了很大波長范圍連續(xù)光譜，譜線的中心頻率和形狀與物體溫度有關(guān)，而與物質(zhì)特性無關(guān)，溫度越高，輻射的頻率也越高。圖1原

3、子自發(fā)輻射發(fā)射光子（2）發(fā)光二極管通過n型半導體的電子和p型半導體在結(jié)間的偶合發(fā)出光子，發(fā)光頻率與電子躍遷能級有關(guān)。如果，躍遷的上能級為E2、下能級為E1，則發(fā)出光子的頻率v滿足hν=E2-E1其中h=6.62610-34Js為普朗克常數(shù)，發(fā)光二極管躍遷的上下能級都是范圍較寬的能帶結(jié)構(gòu)，因此，其譜線寬度一般也較寬。分子和晶體也有這種帶狀的能級結(jié)構(gòu)，譜線也有一定的寬度。（3）光譜燈光譜燈工作物質(zhì)一般為氣體或金屬蒸汽，通過激發(fā)的形式，使低能態(tài)的原子激發(fā)到較高的能級（圖1），處于高能級的原子是不穩(wěn)定的，會以自發(fā)輻射的形式回到低能級，輻射的光子也滿足hν=E2-E1E2和E1分別是原子自發(fā)

4、輻射躍遷的上下能級，v為輻射的光子頻率。原子的能級是分立的，可以從不同高能級不同低能級躍遷，因此，原子譜線也是分立的，譜線寬度一般也較窄。圖二譜線半值線寬1.譜線半值線寬譜線的半值線寬（半線寬）是光譜研究中一個很重要的參量，通過半線寬的測量我們可以知道譜線的頻率分布的范圍的大小，可以求得光源的相干長度等一些與光源特性有關(guān)的參量。如果一個光譜的分布函數(shù)f(λ)，在波長λ=λ0?達到極大f(λ0?)（圖2），在其左右兩邊各存在波長值λ1、λ2,有f(λ1)=f(λ2)=f(λ0)/2，則對應波長λ0峰值半線寬定義為Δλ=

5、λ1-λ2

6、。峰值半線寬與相干長度ΔL關(guān)系為ΔL=λ0?2Δλ。

7、2.氫原子光譜氫光譜實驗在量子理論的發(fā)展過程中有著非常重要的地位，1913年玻爾原子的量子軌道的理論，指出了原有經(jīng)典理論不能用于解釋原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出了微觀體系特有的量子規(guī)律，揭開了量子論發(fā)展的序幕。氫原子光譜的實驗規(guī)律：早在原子理論建立以前人們就積累了有關(guān)原子光譜的大量實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氫原子光譜可以用一個普遍的公式表示，波數(shù)v=1λ=R(1m2-1n2)(1)其中：m取1、2、3、4、5等正整數(shù)，每一個m值對應一個光譜線系，如當m＝2時便得到譜線在可見光和近紫外區(qū)的巴爾末線系；n取m+1、m+2、m+3、…等正整數(shù)，每一個n值對應一條譜線；R稱為里德伯常數(shù)。式(1)稱為廣義巴爾末公

8、式。根據(jù)光譜實驗規(guī)律和其它實驗結(jié)果,玻爾提出了原子電子軌道的量子化理論,按照玻爾理論氫原子光譜巴耳末線系的理論公式為（2）式中ε0為真空介電常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速，e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，M為氫原子核質(zhì)量。即里德伯常數(shù)（3）R為將核的質(zhì)量視為無窮大(即假定核固定不動)時的里德伯常數(shù)。這樣便把里德伯常數(shù)和許多基本物理常數(shù)聯(lián)系起來了。因此式(3)和實驗結(jié)果符合程度就成為檢驗玻爾理論正確性的重要依據(jù)之一。這樣(2)可寫成v=1λ=R(122-1n2)（4）（n=3時，λ=656.28nm）3.同位素位移由于同一元素的不同同位素，它們原子核所擁有的中子數(shù)不同，引起原子核質(zhì)量差異

9、和電荷分布的微小差異，而引起原子光譜波長的微小差別稱為“同位素位移”。一般來說，元素光譜線同位素位移的定量關(guān)系是很復雜的。對于重核，中子數(shù)目的增加除了增大原子核的質(zhì)量外，還使原子核的半徑發(fā)生變化，它們對同位素的光譜線都有影響。只有像氫原子這樣的系統(tǒng)，同位素位移才可以用簡單的公式計算。氫原子核是一個質(zhì)子，其質(zhì)量為M，氘核比氫核多一個中子，其質(zhì)量近似為2M。由式(4)可知氫原子與氘原子的里德伯常數(shù)分別為RH=R∞(MM+m)（5）RD=R∞(2M2M+m)（6）對于巴耳末