2022年实验三氢原子光谱研究报告.docx
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1、精品学习资源试验三 氢原子光谱的争论引言氢原子的结构最简洁,它的线光谱明显地具有规律,早就为人们所留意;各种原子光谱的 规律性的争论正式第一在氢原子上得到突破的,氢原子又是一种典型的最适合于进行理论 与试验比较的原子;本世纪上半世纪中对氢原子光谱的种种争论在量子论的进展中多次起 过重要作用; 1913 年玻尔建立了半经典的氢原子理论,胜利地说明了包括巴耳末线系在内的氢光谱的规律;事实上氢的每一谱线都不是一条单独的线,换言之,都具有精细结构, 不过用一般的光谱仪器难以分析,因而被当作单独一条而已;这一事实意味氢原子的每一 能级都具有精细结构;1916年索末菲考虑到氢原子中原子电子在椭圆轨道上近日
2、点的速度已经接近光速,他依据相对论力学修正了玻尔的理论,得到了氢原子能级精细结构的精确公式;但这仍是一个半经典理论的结果;1925年薛定谔建立了波动力学即量子力学中的薛定谔方程),重新说明了玻尔理论所得到的氢原子能级;不久海森伯和约丹推得的电子自旋轨道相互作用的结果合并起来,也得到了精确的氢原子能级精细结构公式;尽管如此,依据该公式所得巴耳末系第一条的理论)精细结构与不断进展着的精密测量中所得试验结果相比,仍有约百分之几的微小差异;1947年蓝姆和李瑟福用射频波谱学方法,进一步确定了氢原子其次能级中轨道角动量为零的一个能级的确比上述精确公式所预言的高出1057MHz发觉,在可见光区氢原子谱线可
3、以由下面公式确定: 常数;由上式确定的氢谱线为巴尔末线系,当 3, 4, 5,6时,所得的谱线分别标记为、; 以这些体会公式为基础,N.Bohr玻尔 ,1885-1962建立了氢原子的理论 玻尔模型 ,并从而说明了气体放电时的发光过程;依据玻尔理论: 当原子从高能量的能级跃迁到低能量的能级时,以光子的形式释放能量;依据玻尔理论, 每条谱线对应于原子从一个能级跃迁到另一个能级所发射的光子;依据这个模型得到巴耳 末线系的理论公式为3-2 )式中为真空中介点常数, h为谱郎克常数, c为光速, e为电子电荷, m为电子质量, M为氢核的质量;这样,不仅赐予巴耳末的体会公式以物懂得释,而且里德伯常数和
4、很多基本物理常数联系起来了;即3-3)其中 R 为将核的质量视为 即假定核固定不动)时的里德伯常数3-4 )比较式 3-1 )和3-2 ),可以看出它们在形式上是一样的;因此,3- 2)式和试验结果的符合程度,成为检验玻尔理论正确性的重要依据之一;试验说明3-2)式与试验数据的符合程度是相当高的;当然,就其对理论进展的作用来讲,验证公式3-2) 在目前的科学争论不再是个问题;但是,由于里德伯常数的测定比起一般的基本物理常数来可以达到更高的精度,因而,成为调准基本物理常数值的重要依据之一,占有跟重要的位置;目前的公认为:设M 为质子的质量,就 m/M=5446170.13+0.11 )*10 -
5、10代入式 m-1试验仪器试验中需要的仪器为:拍谱用的摄谱仪 见附录 A ),查找和辨认谱线的映谱仪和铁谱图见附录 B),测量谱线距离用的比长仪 及附录 C)氢谱光源和作为铁谱光源的电弧发生器;这里就氢谱光源作一说明;在充有纯洁氢气的放电管的两端,加适当的电压,氢原子受到加速电子的碰撞被激发,从而产生辐射;这样的过程即所谓辉光放电;辉光放电发出的光就可以作为氢光谱光源;我们所用氢放电管中的氢是由下述方法获得的;在放电管的支欢迎下载精品学习资源管中装有氢氧化钠 如图 3-1所示),氢氧化钠所吸取的水随时可以蒸发:以保持放电管中有肯定压强的水蒸气;通电后,水蒸气离解为氧和氢,氧被铜电极吸取,于是,
6、放电管中只留下氢;使用这种放电管时切勿倒置,以防氢氧化钠将支管口堵死;氢放电管的电源暂以“激光电源 ”代替;为了保护电源,放电电流不要太大,一般不要超过8mA ;a)图3-1 氢放电管图3-2 氢谱线波长的测定试验方法和内容一)试验方法试验的主要内容就是测出氢光谱在可见区和近紫外区的谱线波长;测量波长的方法如下:用摄谱仪在底片上并排拍下氢光谱和铁光谱;由于铁谱中各谱线的波长已由前人精确测定,因此可以用铁谱作为尺子来测定氢谱线的波长;从底片上氢谱线相对于铁谱线的位置,即可运算出氢谱线的波长;为了并排拍下氢谱和铁谱以作为一组,可利用摄谱仪的哈特曼光阑 见附录 A );在一组中,由于铁谱线很多,总可
7、以在每根氢谱线邻近找到两根铁谱线,使一根的波长稍大于氢谱线的,另一根稍小,如图3-2所示;谱片上谱线间的距离随波长差而增加,在波长很接近时可以认为距离与波长差成正 比;量出选定的铁谱线间的距离d和氢谱线与一根铁谱线间的距离,例如与波长较短的一根之间的为 x,就欢迎下载精品学习资源3-5 )由此即可运算出该氢谱线波长;上式中各符号的意义不难从图3-2中看出;为了拍照出一张好谱片,可参照以下方法进行;1、主要步骤1)拟订摄谱方案;由于氢谱线强度彼此相差悬殊,在相同的曝光时间下,很可能强线已经很粗,而弱线尚未拍出来;于是可采纳不同的曝光时间拍两组每组中都必需拍下并排的氢谱线和铁谱),以便能分别照料到
8、氢谱中的强线和弱线;摄谱条件中包括波长鼓轮读数、物镜位置、底片匣位置和倾角、哈特曼光阑位置、光源和聚光镜位置、以及曝光时间等,都应事先订好;拍照时逐项检查按方案进行试验室有供参考的摄谱方案,可参照拟订);2)在全黑的暗室中安装底片;应留意使乳胶面对着光源;3)预备好氢谱光源和铁谱光源;利用哈特曼光阑依次按方案拍照;拍照是可用停表或有秒表的挂钟计时,用遮光板掌握曝光时间;在拍同一组光谱的过程中,拍照次序要合理,做到严格保持底片匣不动,以保证氢谱和铁谱位置无相对错动;要求哈特曼光阑的第一和第三个孔拍的是氢谱线,其次个孔拍的是铁谱;4)在暗室冲洗拍好的底片,应遵照试验室给出的冲洗条件进行,培育科学的
9、暗室工作习惯;冲洗完毕用吹风机的冷风吹干;5)利用映谱仪或比长仪找出全部拍下的氢谱线,并且利用铁谱图上的铁谱线测定它们的波长;直接在映谱仪上用钢尺进行测量,作为粗测;6)挑选一根细而清楚的氢谱线,用比长仪见附录 C)进行精确测量;重复测量约6次;2、附摄谱条件参考数据1)狭缝宽度: 已调好,不用再调);2)中心波长位置:以铁谱的左边第一条红光显现在毛玻璃最左边沿为准;3)物镜位置: 10 左边那台); 16 右边那台)4)底片盒偏转角度: 10度; 摄谱时间:氢光谱15-20min/ 孔),铁光谱 8s12s);7)冲洗底片时间:显影15-20min ),定影 10-12min )3、辨认谱线
10、辨认谱线的步骤如下:1 )直接用肉眼观看谱片,确定哪一侧波长大,哪一侧波长小;波长大的一侧背景较强,这是热辐射的连续光谱造成的;2 )将谱片波长大的一侧放在左边,乳胶面对上,置于映谱仪片架上;接通光源电钮, 调剂放大镜头使成像清楚,找到所拍的铁谱;留意,跟谱片上相反,这时波长大的部分在右侧,依次向左波长逐步减小,与铁谱图上相同以便比较;3)找到铁谱的第21号图片,在 4950 4850A 邻近有四条很强、排列比较齐的铁谱线,由于它的外形特殊而邻近没有什么很强的谱线,易于查找,所以一般都以它作为起点;左右移动谱片,在映谱仪白屏上找到上述四根线;然后依据铁谱上的谱线分布花样,依次向左波长逐步减小)
11、或向右波长逐步增加)逐段查对,直到找到所要辨认的谱线;辨认铁光谱时,建议只留意很强的,或排列有特点的谱线,这样易于和铁谱图对比;用比长仪测谱线间距的步骤如下:1)将谱片放在置片台上,调剂台下两反射镜,使左右两视场光明;欢迎下载精品学习资源调剂看谱显微镜的目镜和物镜,使叉丝及谱线清楚;调剂读数显微镜的目镜,使螺旋微M计刻度清楚;2)调整谱片方位,使谱片随置片台移动时上下叉丝会合处能始终处于两个光谱的分界处,以保证测得的距离是谱线间垂直距离;3)调剂叉丝,使之与谱线平行;移动置片台,依次测定各谱线位置;测每一谱线时,都要使谱线位于叉丝双线的正中,然后再从读数显微镜中读出其位置读数;由各谱线的位置即
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