小型稜鏡攝譜儀觀測測原子光譜
一、實驗目的：
1．學習攝譜、識譜和譜線測量等光譜研究的基本技術；
2．通過測量氫光譜可見譜線的波長，驗證巴耳末公式的準確性，準確測定氫的里德伯常數。
3．觀察鈉光譜
二、實驗儀器：
小型稜鏡攝譜儀、電火花發生器、鈉光燈
氫原子光譜
光譜線波長是由產生這種光譜的原子能級結構所決定的。每一種元素都有自己特定的光譜，所以稱它為原子的標識光譜。光譜實驗是研究探索原子內部電子的分布及運動情況的乙個重要手段。
j.j.balmer(巴爾末,1825-1898)發現，在可見光區氫原子譜線可以由下面公式確定：
4-1）
其中n是大於2的整數，是實驗常數，稱為里德伯(rydberg)常數。由上式確定的氫譜線為巴爾末線繫，當＝3，4，5，6時，所得的譜線分別標記為、、、。
以這些經驗公式為基礎，n.bohr (玻爾,1885-1962) 建立了氫原子的理論(玻爾模型)，並從而解釋了氣體放電時的發光過程。根據玻爾理論：
當原子從高能量的能級躍遷到低能量的能級時，以光子的形式釋放能量。氫原子n能級上的能量為（n是正整數），所以光子的波數
(4-2)
其中=1，2，3……， = +1，+2，+3……。根據玻爾模型得到里德伯常數的理論值為
4-3）
代入各常數值計算，rh＝1.097 373 153 4×107m－1。該值與實驗值十分接近。
實驗裝置及操作要點：
本實驗選用小型稜鏡攝譜儀，通過照相法測定光譜線的波長。如果不用照相機拍片，而是在輸出端用測微目鏡讀數，則此裝置稱為「讀譜儀」。小型稜鏡攝譜儀的光路見圖4-2。
攝譜儀的內部各光學元件的調整步驟大致如下：
將攝譜儀及附件按圖4-2a布置，s為待測光源。l為聚光透鏡，它將光源s的像成於狹縫s1的附近，調節好s與l的位置，使它們與平行光管共軸、等高，並均勻照亮整個狹縫，使通過攝譜儀的光通量能達到最大值。也可將光源放到s1附近，調整光源的位置，使譜線清晰明亮。
調節狹縫s1與透鏡l1的相對位置，使s1在l1的焦平面上，以產生平行光。
調節l2的位置使狹縫成像在底版f上最清晰。調此步時要將l2放於不同位置，通過拍攝譜線進行比較，得出最佳位置。
調節底片暗箱的傾角，得到各波長的清晰的譜線，用拍攝譜線的方法，進行比較。
轉動鼓輪以調節稜鏡的角度，使特定波長折射光滿足最小偏向角條件。該光線正好沿與入射方向垂直的方向射出，譜線位於底片當中，相鄰譜線位於其兩側。
從照相底版上無法直接讀出各譜線的波長，為了測量某譜線的波長，我們必須在待測譜線的上方或下方併排拍攝一已知波長的光譜，叫做比較光譜，如圖4-3所示，比較光譜一般為鐵光譜，鐵譜通過純鐵電極的電弧放電得到。拍攝上、下兩排比較光譜時，應該選擇不同的**時間，以得到所有波段都較為清晰的譜線。
用讀譜法實驗時，可採用氦氖燈光源光譜作為比較譜。
設待測譜線的上方臨近兩測有已知波長為和的譜線，與之間的距離為，與之間的距離為，且《而又相差很小時，波長差與間距滿足以下關係：
4-4)
由4-5)
即可得出待測譜線波長。這種求波長的方法叫「線性內插法」。
應用(4－11)式時必須注意以下三點：
第一，在拍攝待測譜線與比較譜線時，要注意不要將照相底版盒移動。因為任何微小的移動都會引起兩個光譜的相對移動，此時用內插法計算時便失去實際意義。為了保證不移動底版盒就可以併排拍攝兩個或兩個以上的光譜，在攝譜儀的平行光管的狹縫前面裝有乙個光欄，叫哈特曼光欄。
如圖4-4所示。在哈特曼光欄上併排有三個小孔，保持底版盒的位置不動，移動哈特曼光欄讓光分別通過不同高度的孔，就可以拍攝底片上不同高度的光譜。通常用中間孔用來拍攝待測光譜，而用上、下兩孔拍攝比較光譜。
第二，使用線性內插法計算的值時，要求三條譜線的間隔足夠小。因此，本實驗使用鐵光譜作為已知譜。因為在可見與紫外波段，鐵光譜譜線較均勻而密集地分布著，並且前人已經標定了每條譜線。
第三，選擇譜線時，最好使三根譜線的幾何間隔小於1公釐，不過譜線間隔也不宜太近，以免兩譜線連成一片而引進測量誤差。同時要選用狹細而黑度適中的譜線，使它們的幾何位置的測量誤差盡可能小一些。
用讀譜法時，原理與照相法類似，將暗盒取下，換上測微目鏡，調整光路，在目鏡內觀察到清晰的光譜線，目鏡上的刻度能記錄下兩條光譜線間的距離。用氦氖光譜作為比較光譜，由「線性內插法」得到氫光譜線的波長。
實驗用氫燈獲得氫原子發光。
一、照相法：
調整電弧
鐵譜電流一般在3安培左右，將兩電極對正，兩電極的間隙3—5公釐，開啟電弧發生器，應產生穩定的弧光，否則應對電極進行調整。
調整光路
光路如圖4－4所示。攝譜儀的內部光路一般已按前面所述的方法調整好，因此只需調節外光路，即，調節光源（鐵電弧）與透鏡l，使光均勻照亮入射狹縫。
3、拍攝氫光譜
將氫燈放於狹縫前，通過毛玻璃觀察譜線，調整氫燈的位置，使觀察屏上顯示出四條光譜線，裝好乾板，拍攝氫光譜。**時間數十秒。
4、拍攝比較光譜
開啟電弧，待其穩定後，開啟狹縫前的光門，**1—2秒鐘。
5、按照規定的時間和溫度沖洗照相底片。
注意：改變光源，拍攝不同譜線時，只能移動哈特曼光欄。
6、用「線性內插法」測量和計算氫光譜線的波長
為每一條氫光譜線選定一組合適的比較光譜和兩條合適的鐵光譜線。
把在照相底片上位於這些氫光譜線附近的鐵光譜與實驗室提供的鐵光譜圖做對比，根據鐵光譜線的相對強度和相對間距等特點，在鐵光譜圖上找出被選定的鐵光譜線並讀出其波長值。
對每根氫光譜線，用阿貝比長儀測出與的值，算出氫光譜、、、的波長。(用4－5式算出的值是在空氣中的波長，因為鐵光譜圖上標出的是在空氣中的波長)。
7、求里德堡常數的值，並與的公認值進行比較。
二、讀譜法：
調整光路
首先通過測微目鏡找到氫光譜的清晰譜線，並記錄其位置讀數。換上氦氖光源，找到氦氖光譜線，參照氦氖標準譜，記錄下每條氫光譜兩側的氦氖光譜。
2．用「線性內插法」測量和計算氫光譜線的波長
3. 求里德堡常數的值，並與的公認值進行比較。
四、資料處理
確定對應於每根氫光譜線的值和值：首先算出每根氫光譜線的波數的值，然後根據公式(4－2)，先假設的值，定出對應於各個的的可能值，做曲線，得到截距，由此確定的正確值和各個的值。
求里德堡常數的平均值。
用測得的值，計算各能級的光譜項。
以水平線表示相應於這些光譜項的能級。在能級旁應標出它的值與值。再用箭頭表示相應於巴爾末系的四條譜線的躍遷，並在箭頭旁寫出相應的波長。
四、注意事項
拍攝鐵譜時，注意人身安全，防止電擊，並帶好墨鏡。
攝譜儀內部光路已經調好，不要再動。
1．如果照明不當，對所攝光譜**可能有什麼影響？
2．在用線性內插法測定波長時，採取哪些措施來減少測量誤差？
3．根據什麼原則來選定對應於各氫光譜線的的可能值？根據什麼來判定某個的可能值是正確的？如何求值？
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