近代物理实验 29

1. 近代物理实验29 氢原子光谱研究

2. 提要 • 实验背景 • 实验目的 • 实验仪器 • 实验原理 • 思考问题 • 注意事项

3. 实验背景 氢原子光谱在可见光和近紫外区有很多条谱线，构成一个很有规律的系统。在1985年，巴耳末(J. J. Balmer)发现了巴耳末公式。1913年，玻尔（N. Bohr）发展了氢原子理论，玻尔理论对原子内部情况的揭示获得了显著的成功。1914年，玻尔进一步讨论了氢核质量不是无穷大的情况下，氢核和核外电子的相互运动后，氢原子光谱的理论计算结果和实验结果获得了更进一步的一致。这一理论也被用来证实了氢的同位素-氘的存在。在1932年，尤雷（H. C. Urey）获得了氘的光谱，发现理论计算结果和实验结果十分符合，这样就肯定了氘的存在。

4. 实验目的 1.了解棱镜摄谱仪的结构及各部件的作用； 2.测量氢原子的光谱线波长，并计算电子质量和质子质量之比。

5. 实验仪器 • WPL小型棱镜摄谱仪、交流电火花发生器、氢灯、读数显微镜、微机。 • 对平面光栅射谱仪进行了改造，利用CCD替代了原来的银盐干板采集光谱信息，利用计算机软件对数据进行采集和处理，具有实时性。体现了利用现代技术对传统实验的改造。

6. WPL型小型棱镜摄谱仪光路图 M G P S C O3 O2 O1 D 实验原理

7. 计算公式 不考虑原子核运动的情况下，氢和类氢原子的巴耳末线系对应的光谱线波数为： 其中 为电子质量， 为电子电荷， 为普朗克常数， 为真空介电常数， 为光速， 为原子序数，

8. 计算公式 此时类氢原子的里德伯常数可写成： 表示原子核质量为无穷大时的值。严格说来， 在类氢原子问题中，我们应当考虑核的运动， 也就是说应当考虑两个粒子（电子和核） 在库仑相互作用下的两体运动问题。

9. 里德伯常数应进一步表示为： 氢的里德伯常数

10. 对于氢和氘的巴耳末线系对应的同一条谱线，它们的波长差 可以通过下式得到： 为质子质量

11. 中的任一个。 是 和 由上式可知，只要从实验中测得氢和氘二对应波长，即可由 和 算出电子质量和质子质量之比。

12. 数据处理 用“内插法”求未知波长示意图 a b λ2 λx λ1

13. 思考题: • 氢的同位素光谱实验主要讲的是什么 • 实验仪器各部分名称和作用 • 本实验测量哪些数据