光学多道与氢氘光谱实验报告
学生姓名: 黄晨学号: 5502211059专业班级:应用物理111班级编号: S008 试验时间: 14:00 第 11周 星期 二 座位号: 教师编号: 成绩:
氢氘光谱的测量
一、实验目的
1、测量氢氘光谱并与已知标准光谱比较
2、测量电子与质子质量比
二、实验原理
1、氢原子的能级
在原子体系中,原子的能量状态是量子化的,每一个能量状态称原子的一个能级。能量最低的状态称为原子的基态,高于基态的其余各能级称为原子的激发态。处于高能级的原子,总是会自发跃迁到低能级,并发射出光子。设光子能量为ε,频率为υ,高能级为E 2,低能为 E 1,则
ε=h υ=E 2-E 1, υ=E 2-E 1 (1) h
而由于原子能级的分立,所以当原子由高能级向低能级跃迁时,会发出一些特定频率的光,这些光在分光仪上表现为一条条分立的“线性光谱”。这些频率由巴耳末公式确定。对H 原子有:
⎛11⎫ =R H 2-2⎪ (2)λH ⎝n 1n 2⎭1
式中R H 是H 原子的里德伯常量。
当n 1=2, n 2=3,4,5 时,光谱大部分位于可见光区,对应线系为巴尔末系,即 ⎛11⎫ =R H 2-2⎪, n =3,4,5 (3)λH ⎝2n ⎭1
与H 类似,D 的巴耳末系的公式为:
1⎛11⎫ =R D 2-2⎪, n =3,4,5... (4)λD 2n ⎝⎭
式中R D 为D 原子的里德伯常量。
由(3)(4)两式,可以得到H 、D 的波长差为:
⎛11⎫⎛11⎫ ∆λ=λH -λD = -⎪ 2-2⎪, n =3, 4,5... (5)⎝R H R D ⎭⎝2n ⎭
由上式可以看出,H 、D 的光谱之间的差别就在于它们的里德伯常量不同。究其原因,这-1
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是因为二者的原子核结构不同。H 核是质子,D 核则由一个质子和一个中子构成的。忽略质子与中子的质量的微小差别,则二者的里德伯常量可写为:
R H =R ∞m p m p +m e , R D =R ∞m p 2m p +m e (6)
-1R =109737. 31cm , 表示原子核质量无穷大时的里德伯常量,∞式中,
m p =1. 6726485⨯10-27kg -31m =9. 1093826⨯10kg 为电子质量。 e 为质子和中子的质量,
由(4)(6)式可得到H 、D 的波长差公式:
⎛1m e 1⎫⎛11⎫ ∆λ=λH -λD = -λD (7)⎪ 2-2⎪=2m p +m e ⎝R H R D ⎭⎝2n ⎭-1
考虑到电子质量比忽略的中子质量还要小1个量级,(7)式可近似为:
⎛1m e 1⎫⎛11⎫∆λ=λH -λD = --≈λD (8) ⎪ 22⎪2m p ⎝R H R D ⎭⎝2n ⎭
在实验中,可测出对应的H 、D 谱线波长,即可求出波长差∆λ,由公式(8)即可得出电子和质子的质量比。
-1
2、实验装置
实验所用仪器为光学多道分析仪(Optical
Multi-channel Analyzer简称OMA ),主要由光学多
色仪,电荷耦合器件(CCD)或光导摄像管和数据处
理系统三大部分组成。
仪器结构
本实验所用光学多道分析仪由光栅多色仪,
CCD 接受单元,电子信号处理单元,A/D采集单
元和计算机组成。实验装置如图1
所示:
光栅多色仪
在像平面处有系列狭缝或矩形
开口, 可同时通过多个单色光的仪
器叫做多色仪. 利用光栅作为分光
元件的多色仪成为光栅多色仪.
图2所示是光栅多色仪的光路
图。通过入射狭缝通过入射狭缝S 1
的光经平面镜M 1反射后,被凹面准
光镜M 2反射为平行光投射到光栅
G
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上。由于光栅的衍射作用,不同波长的光被反射到不同的方向上,再经凹面物镜M 3反射,成像在CCD 感光平面所在的焦面S 2上,或由可旋入的平面镜M 4反射到观察窗S 3上。 CCD 光电探测器
CCD (电荷耦合器件)可以
将光学图像转换为电学“图像”,
即电荷量与该处照度大致成正
比的电荷包空间分布,因此,它
可以“同时”探测到空间分布的
光信号。
我们实验所用的是具有
2048个像元的线阵列CCD 器件。
感光像元将信号光子转变为信号电荷,并实现电荷的存储、转移和读出。其工作原理如图3。 CCD 灵敏度受光二极管电荷最小可测变化的限制,并受热暗电流所造成的靶表面漏电的影响,还受放大器噪声的影响。OMA 的分辨率主要决定于多色仪,如分光元件光栅的刻线条数,以及多色仪光程的长度,但也受CCD 的限制,故其分辨率一般在0.01~0.1nm 范围内。一次摄谱范围为22nm 。
光电倍增管
光电倍增管是一种具有高灵敏度与超快响应时间的光探测元件,一般光电倍增管在其响应范围最佳的近红外光区到紫外光区,可以将只有数百个光子的光讯号转换为有用的脉冲电流,进而利用此脉冲电流来做讯号的分析。
光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的. 光阴极在光子作用下发射电子,这些电子被外电场(或磁场) 加速, 聚焦于第一次极. 这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子, 它们再被聚焦在第二次极. 这样,一般经十次以上倍增, 放大倍数可810达到 10~10。最后,在高电位的阳极收集到放大了的光电流;输出电流和入射光子数成
-8正比,而整个过程时间约10秒。
三、实验步骤
1、熟悉光栅光谱仪各部分结构,各电源的功能。接通电源前,认真检查接线是否正确。
2、狭缝的调整:狭缝为直狭缝,宽度范围0--2mm 连续可调,顺时针旋转为狭缝宽度加大,反之减小,每次旋转一周宽度变化0.5mm 。
3、启动软件。
4、先把光栅光谱仪背面的开关拨向倍增管,进入计算机桌面倍增管处理系统,选择工作菜单的“单程”扫描,即从起始波长扫描到终止波长。选择读取数据菜单,读取数据。读取指定点的数据。利用数据图形处理模块进行数据处理。
(1)选择定点扫描,调好合适的氢光谱灯位置、光电倍增管电压和增益系数倍数,保证信号足够大,并且不超出显示范围,谱线能够充分分开。
(2)根据巴尔末线系的范围,扫描出整个谱线系。
(3)分段扫描找出巴尔末线系中的氢-氘谱线。