小型棱镜摄谱仪 指导书.doc

小型棱镜摄谱仪的使用

一．实验内容
1．了解摄谱仪的结构、原理和使用方法，学习小型摄谱仪的定标方法。
2．观察物质的发射光谱，测定氢原子光谱线的波长，验证原子光谱的规律性，测定氢原子光谱的里德堡常数。

二．教学要求
1．进一步认识原子辐射的微观机理，学习借助分析原子光谱的规律性研究微观世界的方法。
2．学习物理量的比较测量方法。

三．实验器材
小型摄谱仪、汞灯及镇流器、氢灯及电源、调压变压器。

四．实验原理
任何一种原子受到激发后，当由高能级跃迁到低能级时，将辐射出一定能量的光子，光子的波长为，由能级间的能量差决定：

式中，为普朗克常数，c为光速。不同，也不同。同一种原子所辐射的不同波长的光，经色散后按一定程序排列而成的光谱，称发射光谱。
不同元素的原子结构是不相同的，因而受激发后所辐射的光波具有不同的波长，也就是有不同的发射光谱。通过对发射光谱的测量和分析，可确定物质的元素成分，这种分析方法称为光谱分析。通过光谱分析，不仅可以定性地分析物质的组成，还可以定量地确定待测物质所含各种元素的多少。发射光谱分析常用摄谱仪进行。
小型棱镜摄谱仪，是以棱镜作为色散系统，观察或拍摄物质的发射光谱。
1．氢原子光谱的规律
1885瑞士物理学家巴尔末发现，氢原子发射的光谱，在可见光区域内，遵循一定的规律，谱线的波长满足巴尔末公式：
（1）
式中，n=3，4，5，组成一个谱线系，称为巴尔末线系。用波数（）表示的巴尔末公式为：
n=3，4，5 （2）
式（2）中，称为氢原子光谱的里德堡常数。
用摄谱仪测出巴尔末线系各谱线的波长后，就可由式（2）算出里德堡常数，若与公认值=1.096776相比，在一定误差范围内，就能验证巴尔末公式和氢原子光谱的规律。
2．谱线波长的测量
先用一组已知波长的光谱线做标准，测出它们移动到读数标记位置处时螺旋刻度尺的读数后，以为横坐标，为纵坐标，作~定标曲线。
对于待测光谱波长的光源只要记下它各条谱线所对应的螺旋尺上读数，对照定标校正曲线就可确定各谱线的波长。
本实验利用汞灯为摄谱仪进行定标校正。然后测出氢原子光谱巴尔末线系各谱线的波长，再根据式（2）算出。

五．操作步骤
1．对着仪器参考图或仪器使用说明书，在处装上看镜目镜，熟悉摄谱仪各部分的结构及操作方法。
2．将汞灯置于 “S”处，前后移动聚光镜1，使光源清晰地成像于狭缝处。在目镜中观察出射光谱，转动转角调节轮，使任一条光谱进入视场，轻轻转动出射聚光镜2的调焦手轮，使光谱线像聚焦清晰；再转动角调节轮，逐个观察光源的各条光谱线并与附表中列出的谱线颜色核对无误后，开始测量。依次记下各光源不同波长谱线的所对应的读数。
3．将氢灯置于“S”处，（注意：氢灯用的是是高压，调压变压器输出指示数不能超过规定的值），测出氢原子光谱中红、蓝、紫三条谱线所对应的鼓轮读数。
4．数据处理与分析：
（1）列表记录所有数据，表格自拟。
（2）用毫米方格作图纸，作出光谱仪的~定标曲线。
（3）由定标校正曲线及氢光谱测得的，求出巴尔末谱线系中三条谱线的波长，并与氢光谱的标准波长比较。
（4）由氢光谱所测得的三个波长，按式（2）算出里德堡常数，求出其平均值，并与公认值比较，算出测量的不确定度。

六．注意事项
1．光谱仪中的狭缝是比较精密的机械装置，实验中不要任意调节。旋转转角调节轮时，动作一定要缓慢。禁止用手触摸透镜等光学元件。
2．氢光源使用的是高压电源，应特别小心。开灯前，先将调压变压器置于低电压处，然后通电源，慢慢地调节变压器升压到氢光源稳定发光。关灯时，先把变压器降到最低电压，再断开电源。

七．问题讨论
1．要能在看谱目镜中看到不同波长的谱线，应如何调节？各谱线出射时的相对位置应在何处读出？
2．测物质光谱波长时，如何定标？
3．氢原子光谱的巴尔末线系三条谱线的量子数n各为多少？

附录
一、摄谱仪基本结构
摄谱仪的光学系统如图28-2所示，自光源S发出的光，经聚光镜会聚于可调狭缝上，调节狭缝以获得一束宽度、光强适当的光，此光经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜折射色散，由另一聚光镜成像于接收系统。以上元部件均安装在导轨上。下面分别介绍摄谱仪的几个主要元部件。
（1）狭缝头
狭缝头由狭缝片、狭缝盖、哈特曼光栏、刻度手轮、曝光开关等组成。
狭缝头是光谱仪中最精密、最重要的机械部分，它用来限制入射光束，构成光谱的实际光源，直接决定谱线的质量。
狭缝片由一对能对称分合的刀口组成，其分合动作由刻度手轮d控制。刻度手轮是保持狭缝精密的重要部分，因此转动手轮时一定要用力均匀、轻柔，狭缝盖内装有能左右拉动的哈特曼栏板c，盖外装有可左右拉动控制狭缝开、闭的曝光的开关e，如图28-3所示。
哈特曼光栏是用来改变谱线在照相胶片上的位置，以便对三种谱线进行比较。当板上三条刻线与狭缝盖边缘相切时，表示光栏板上的三个椭圆孔相应地移到狭缝的正前方，从而选择光谱在胶片上的位置。
曝光开关还兼有防尘作用，在不使用时应把它关闭。
（2）色散系统
色散系统是一个恒偏向棱镜，它使光线在色散的同时又偏转90o。棱镜本身也可绕铅直轴转动。
（3）接收系统
小型棱镜摄谱仪的接收系统有三种。①照相机；②看谱目镜；③出射狭缝，可分别装于图28-2中的处。
若处装上照相机，则光谱可成像在毛玻璃屏上，调焦清晰后，取下毛玻璃屏换上感光胶片，即可曝光拍摄光谱线。
若处装上出射狭缝，则构成一个单色仪，转动棱镜转角调节轮，可使聚焦于出射狭缝的不同光谱线射出，以获得所需的单色光。
若处装上看谱目镜系统，则可直接用眼睛观察光谱线。本实验利用看谱系统进行各种发射光谱线波长的测量。在看谱目镜视场中有一小的黑三角，作为测量谱线波长的基准。当转动棱镜转角调节轮时，棱镜位置旋转，出射的光谱线位置也跟着移动，当在所需读出的谱线移到黑三角位置处时，可由与转角调节轮相连的螺旋刻度尺上读出此时棱镜的相对位置。欲知此时谱线波长的数值，则需先对螺旋刻度尺进行定标校正。

二、汞、氢光谱的标准波长表
光源
颜色和波长（nm）
氦
蓝
蓝
蓝绿
蓝绿
蓝绿
蓝绿
黄
红
红
438.79
447.15
471.32
492.19
501.57
504.77
587.56
667.82
706.57
汞
紫
紫
蓝
蓝绿
绿
黄
黄
红
404.66
407.80
435.84
491.60
546.07
576.96
579.07
623.40
氢
紫
蓝
红
434.05
486.13
656.28

光源
颜色和波长（nm）
氦
蓝
蓝
蓝绿
蓝绿
蓝绿
蓝绿
黄
红
红
438.79
447.15
471.32
492.19
501.57
504.77
587.56
667.82
706.57
51.3
52.3
54.9
56.8
57.7
57.9
62.9
66.1
67.2

汞
紫
紫
蓝
蓝绿
绿
黄
黄
红
404.66
407.80
435.84
491.60
546.07
576.96
579.07
623.40

氢
紫
蓝
红
434.05
486.13
656.28
50.5
56.3
65.7