1、I北京航空航天大学物理研究性实验报告氢原子光谱和里德伯常数的测定第一作者：11031138 余永超 第二作者：11031149 马仲海所在院系：自动化科学与电气工程学院 所在院系：自动化科学与电气工程学院就读专业： 自动化 就读专业： 自动化 II目录摘要 1一、实验原理 11、光栅及其衍射 12、光栅的色散分辨本领与色分辨本领 23、氢原子光谱 3二、实验仪器 41、分光仪 42、投射光栅 43、钠灯及电源 44、氢灯及电源 5三、实验步骤 51、调节分光仪 52、调节光栅 53、测光栅常数 64、测量氢原子里德伯常数 6四、数据处理 61、用钠灯测光栅常数 62、用氢灯测定里德伯常数 83
2、、计算钠黄光的角色散率和分辨本领 11五、实验讨论 11六、实验仪器的改进建议 12七、实验感想 13八、参考文献 131摘要在上学期学习了分光仪的调整的基础上，本学期进一步的应用分光仪来测量光栅常数，并对氢原子光谱和里德波常数进行了观察和测量，本报告对实验数据进行了处理及误差分析，同时对实验结果以及误差的来源进行了进一步的讨论，最后提出了减小误差的一些建议。关键词：分光仪 里德伯常数 角色散率 误差一、实验原理1、光栅及其衍射波绕过障碍物而传播的现象称为衍射。衍射是波动的一个基本特征，在声学、光学和微观世界都有着重要的基础研究和应用价值。具有周期性的空间结构的衍射屏称为“栅” 。当波源与接收
3、器距离衍射屏都是无限远时所产生的衍射称为夫琅禾费衍射。光栅是使用最广泛的一种衍射屏。在玻璃上刻画一组等宽度、等间隔的平行狭缝就形成了一个投射光栅；在铝膜上刻画出一组端面为锯齿形的刻槽可以形成一个反射光栅；而晶格原子的周期排列则形成了天然的三维光栅。本实验采用的是通过明胶复制的方法做成的投射光栅。它可以看成是平面衍射屏上开有宽度为 的平行狭缝，缝间的不透光的部分的宽度为 ， 称为光栅常数。如图a bda1.1.1图 1.1.1 透射光栅 图 1.1.2 光程差光栅衍射可以看成是单缝衍射和多缝干涉的综合。当平面单色光正入射到光栅上市，其衍射光振幅的角分布正比于单缝衍射因子 和缝间衍射因子 乘积，即
4、沿 sinsinN方向的衍射光强： 220sini()I2式中 ， ， 是光栅的总缝数。sinasindN当 时， 也等于 0， ， 形成干涉极大；当i0isiI时，但 时， ，形成干涉极小。它说明：在相邻的两个主极sinNsinI大之间有 N-1 个极小、N-2 个次级大；N 数越多，主极大的角宽度越小。.正入射时，衍射的主极大位置由光栅方程 si(0,12.)dk决定，单缝衍射因子 不改变主极大的位置，只影响主极大的强度分配。sin. 当平行单色光斜入射时，对入射角 和衍射角 做以下规定：以光栅面法线为准，由法线到光线逆时针入射为正，顺时针为负。这时光栅相邻狭缝对应点所产生的光程差为 ,光
5、栅方程应为(sin)d(sin)(0,12.)k不同波长的光入射到光栅上时，由光栅方程可知，其主极强位置是不同的。对同一级的衍射光来讲，波长越长，主极大的衍射角就越大。如果通过透镜接收，将在其焦面上形成有序的光谱排列，如果光栅常数已知，就可以通过衍射角测出波长。2、光栅的色散分辨本领与色分辨本领（1）色散率色散率讨论的是分光元件能把不同波长的光分开多大角度。若两种光的波长差为 ，它们衍射的角间距为 ，则角色散率定义为 。 可由光栅方程/D导出：当波长由 时，衍射角由 ，于是sindk，则co coskd上式表明， 越大，对相同的 的两条光线分开的角度 也越大，实用光栅的 值很D d小，所以又较
6、大的色散能力。这一特性使光栅成为一种优良的光谱分光元件。与角色散率类似的另一个指标是线色散率。它指的是波长差为 的两条谱线，在观察屏上分开的距离 有多大。这个问题并不难处理，只要考虑到光栅后面望远镜的物镜焦l距 即可， ，于是线色散率 f/cosl kfDfd（2）色分辨本领色散率只反映了谱线（主极强）中心分离的程度，它不能说明两条谱线是否重叠。色3分辨本领是指分辨波长很接近的两条谱线的能力。由于光学系统尺寸的限制，狭缝的像因衍射而展宽。光谱线表现为光强从极大到极小逐渐变化的条纹。如果谱线宽度比较大，就可能因相互重叠而无法分辨。图 1.2.1 同一色散不同谱线宽度的分辨率根据瑞利判别准则，当一
7、条谱线强度的极大值刚好与另一条谱线的极小值重合时，两者刚可分辨。波长差 的计算，则可如下推出。由 可知，波长差为cosdk的两条谱线，其主极大中心的角距离 ，而谱线的半角宽度 /k；当两者相等时， 刚可被分辨即：cosNdcossdN由此得 k光栅的色分辨率定义为 /R上式表明光栅的色分辨本领与参与衍射的单元总数 和光谱的级数成正比，而与光栅常数N无关。注意上式中的 是光栅衍射时的有效狭缝总数。由于平行光管的限制，本实验中dN的有效狭缝总数 ，其中 ，是平行光管的通光口径。/Dd2.0cm3、氢原子光谱原子光谱是一种最简单的原子光谱。之后玻尔提出了原子结构的量子理论，它包括三个假设：（1）定态
8、假设：原子中存在具有确定能量的定态，在该定态中，电子绕核运动，不辐射也不吸收能量；（2）跃迁假设：原子某一轨道上的电子，由于某种原因发生跃迁时原子就从一个定态过渡到另一个定态 同时吸收或发射一个光子，其频率 满足，式中 为普朗克常数。nEmEh4（3）量子化条件：氢原子中容许的定态是电子绕核圆周运动的角动量满足 ，Lnh式中 称为主量子数。从上述假设出发，玻尔求出了原子的能级公式n 42201()8nmeEh于是，得到原子从 跃迁到 时所发出的光谱线波长满足关系nm4223011()()8nechnhc令 ，则有42308HmeRhc211(1,23.)HRnm式中， 称为里德伯常数。H当 时
9、，为赖曼系， 时为巴耳末系， 时，为帕邢系， 时为布喇1m 4m开系， 时为芬德系。5本实验利用巴耳末系来测量里德伯常数。巴耳末系是 的原子能级跃迁3,456.n到主量子数为 2 的定态时所发射的光谱，其波长大部分落在可见光范围。若已知 ，利用n光栅衍射测得 ，就可以算出 的实验值。HR光栅夫琅禾费衍射的角分布可通过分光仪测出。分光仪是一种精密的测角仪器。夫琅禾费衍射的实验条件应通过分光仪的严格调整来实现：平行光管产生来自“无穷远”的入射光：望远镜用来接收“无穷远”的衍射光：垂直入射则可通过对光栅的仔细调节来完成。二、实验仪器主要仪器：分光仪，透射光栅，钠灯（2 组一台） ，氢灯（每组一台）
10、，会聚透镜。1、分光仪本实验中用来准确测量衍射角。2、投射光栅本实验中使用的是空间频率约为 600/mm,300/mm 的黑白复制光栅。53、钠灯及电源钠灯型号为 ND20，用功率 20W，工作电压 20V，工作电流 1.3A 的电源点燃，预热约10 分钟后会发出平均波长为 589.3nm 的强黄光。本实验中用作标准谱线来校准光栅常数。4、氢灯及电源氢灯用单独的直流高压电源(150 型激光电源)点燃。使用时电压极性不能接反，也不能用手触碰电极。直视时呈淡红色，主要包括巴耳末系中 的可见光。3,456.n三、实验步骤1、调节分光仪图 3.1.1 JJY 型分光仪1.平行光管狭缝装置 2.狭缝装置
11、锁紧螺丝 3.平行光管镜筒 4.游标盘制动架 5.载物台 6.载物台调平螺钉 7.载物台锁紧螺丝 8.望远镜筒 9.目镜筒锁紧螺丝 10.阿贝式自准直目镜 11.目镜视度调节手轮 12.望远镜光轴俯仰角调节螺钉 13.望远镜光轴水平方位调节螺钉 14.支持臂 15.望远镜方位角微调螺钉 16.望远镜锁紧螺钉 17.望远镜转座与度盘锁紧螺钉 18.望远镜制动架 19.底座 20.望远镜转座 21.主刻度盘 22.游标内盘 23.立柱 24.游标盘微调螺丝 25.游标盘锁紧螺钉26.平行光管光轴水平方位调节螺钉 27.平行光管光轴俯仰角调节螺钉 28.狭缝宽度调节手调节的基本要求是使望远镜聚焦于无
12、穷远，其光轴垂直仪器主轴；平行光管出射平行光，其光轴垂直仪器主轴。62、调节光栅（1） 调节光栅的要求使光栅平面与仪器主轴平行，且光栅平面垂直平行光管；光栅刻线与仪器主轴平行。（2） 透射光栅的放置 （3） 调节方法旋转载物台，此时绿十字应仍在上叉丝上，如果不在，应按照调节分光仪的方法进行调整。至此，光栅平面与仪器主轴平行，绿十字与上叉丝重合。此时，调节载物台调平螺钉，使得望远镜中的谱线与纵丝夹角为 0，被中心叉丝垂直平分，此时光栅刻线与仪器主轴平行。在望远镜纵丝对准平行光管的前提下，旋转载物台，使得绿十字刻线，中心叉丝，0 级条纹三线合一，至此，光栅平面垂直平行光管，光栅位置调整完毕。3、测
13、光栅常数用钠黄光 作为标准谱线校准光栅常数 。589.3nmd4、测量氢原子里德伯常数测定氢光谱中 2 到 3 条可见光的波长，并由此测定氢原子的里德伯常数 。HR应当注意读数的规范操作。先用肉眼观察到谱线后再进行测量。应同时记录 级得谱1线位置，并检查光栅正入射条件是否得到满足， 级的每条谱线均应正确记录左右窗读数，1凡涉及度盘过 0 时，还应加标注（但不改动原始数据） 。测量衍射角转动望远镜时，应锁紧望远镜与度盘联结螺钉；读数时应锁紧望远镜固紧螺钉并用望远镜微调螺钉进行微调对准。7四、数据处理1、用钠灯测光栅常数实验数据记录-1 级 +1 级序号 11221212|41 230509430
14、.52 975873 463 1.24 8265 7251013090.5-2 级 +2 级序号 112212122|41 0465.2 67358390053 97 .24 852140124175 0 .计算光栅常数1.65 204.5由 得：sin(89.3nm)dk611.5041i6223.8sind计算不确定度 21 41()()0.6154.7902361rad4iau对分光仪， (仪)518.ra23b8224111()().970radabuu491122cos583nmcos1.6597103.67miinkd 同理可得： 2 42()()0.568.310978rad4i
15、au且 1()bb224()1.8370radabuu4922 2cos59.nmcos.25()() 183701.680mi4inkd 结果加权平均 6221/3.910()()iidu92/.48m()id63.0.1)u2、用氢灯测定里德伯常数实验数据记录紫光- +11221212|4684253403873.5019637 0.91252265857678蓝光- + 12122|491122693245034782.757081961857 1 .2642507 8235红光- +112212123|4723058495489.75673100 121920.26538465 5计算
16、里德伯常数及不确定度根据巴尔末公式： 以及 得：211()(3,4.)HRnsindk2lnlsinll0.5kd其中 为常数，因此可得：, 22()()()tanHudu时，看到红光； 时，看到蓝光； 时，看到紫光。3n4n5n当观察谱线为紫色时（ ）5111si728.d411122097.28m()sin()55HRd1 41().07.1rad4iau51()8.3920r2b 4111().681adabuu22411 1()( .075mtanHdR 当观察谱线为蓝色时（ ）410222sin8.75d41222211097.86m()sin()44HRd42()0.7159.1r
17、adiau52()8.320rb 2 42().47981adabuu2412 ()( .0mtanHdR 当观察谱线为红色时（ ）333sin10.6d4133221098.7()sin()HRd3 53()0.495.6rad45iau531()8.7210r2b 4333().96adabuu224133 ()( 0.87mtanHdR 进行里德伯常数的加权合成 33 412211/97.3()()HiiiHiuR3 4121)/0.6m()HiiR里德伯常数的测量值为：71().097.)0mHu查资料得，应用波尔模型计算出的里德伯常数的理论值为 7101.9360mHR11相对误差0
18、|()1%.048HRE3、计算钠黄光的角色散率和分辨本领一级钠黄光角色散率：1 516113.047mcos3.90cos(.65)kDd 二级钠黄光角色散率： 2 5162 .cs.cs(24.)k 由钠黄光色分辨本领计算公式 可得：dPRk316.m.01391DRd22c2.当 时，波长为 ，波长差为 的两束光可被分辨。kNd查阅资料可知：钠黄光双线波长差 0.6nm589.32.17d06当 时， 1kR一级钠黄光的双线能分开当 时， 22d二级钠黄光的双线能分开五、实验讨论1.人眼的分辨本领设人眼瞳孔直径为 ，玻璃体折射率为D1.36n可把人眼看成一枚凸透镜，焦距只有 20 毫米，
19、又 1.212人眼瞳孔直径约为 34mm，则 461.2589.301实验中 光栅的角色散率为 ，则可得D当 时，1k43.056.183当 时，24270由计算可以看出钠黄光双线理论上是能被分开的，但是在实验的过程中，我们观察到的谱线均看不到钠光双线。以此为出发点，我们想计算出由人眼分辨能力不够而造成的识谱角度误差，定量地算出每级光谱的波长误差，从而最终确定测得的里德伯常数的相对误差。2.实测谱线具有一定宽度，也即具有半角宽度，其真实原因有以下几点：由不确定原理，由于测量时间有限，测得的能级会有一定展宽，其不确定度约为 ，即波长。/hp另外辐射跃迁时氢原子与分光仪之间的相对运动而引入的展宽。
20、原子碰撞时原子间相互作用引入的展宽。3. 测量里德伯常量的意义由 ， 为电子质量， 为真空中的光速， 为普朗克常数。从式中我们不难看出42308HmeRhcch里德伯常数的定义是电子质量的关键，同时在其余各量精确度保持不变的前提下， 的HR值越精确，则电子质量 的值也越精确。因此， 精度的提高对于 精度的提高有着重HRm要的意义。4.实验产生误差原因：由于谱线总存在一定的宽度，而且像蓝光和紫光光线非常暗，因此分光仪十字叉丝很难严格保证在谱线正中间，加入因为这个原因测出的角度与标准值相差 ，因此实际的波长 ，理论波长 ，1sinsincodd sind，当 越小时，误差越大。21/4icoHRn
21、从以上的定量误差分析，我们思考在调整好分光仪后这个实验主要存在三个误差来源：人眼分辨能力不够而钠光双线未被区分造成的误差，由于光栅的分辨率不足够高造成的光谱不细锐，由分光仪望远镜的转动不精确造成的谱线无法精确对准；由此我们想能不能采用一种粉分辨率高的分光仪器，同时能够测出光波波长，这样就既能区分钠光双线存在的，又能看到细锐的条纹，还能够测波长，有效避免望远镜转动带来的较大误差，为此，可以进行一些改进。13六、实验仪器的改进建议随着科学技术的发展，目前已经发明了摄谱仪、精密光栅单色仪等多种测量光谱的仪器。利用精密光栅单色仪进行实验可在精确程度上有较大的提高。实验仪器主要包括有：精密光栅单色仪、光
22、源、计算机、Monochromator Controller 软件等现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV-IR） ，高光谱分辨率（到 0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统。其原理如图所示：平面光栅单色仪的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝 S1 上，S1 位于离轴抛物镜的焦面上。光经过 M1 平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到 M1，经 M1 反射的光经过 M2 会聚到 S2 出射狭缝上，最后照到光电接收元件上。由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。这种光学系
23、统称为李特洛式光学系统。七、实验感想本报告中主要是对分光仪的进一步应用，进过上学期对分光仪调整的练习，我们能熟练的掌握分光仪的使用了，从而为这次测氢原子光谱和里德波常数打下了基础，在实验中也掌握了关于光栅和衍射、色散本领色分辨本领的基本原理知识，顺利完成了实验。已经做了两年学期的物理实验了，经过两学期的不断训练，自己的实践能力得到了很大的提升，每次做实验，从实验的预习甚至是预约，我们都做好了充分的准备，其次就是实验过程这一重要环节，我想，只有我们在实验中遇到问题并且尽自己最大的努力去解决问题，这样才会使我们对实验本身有一个更深刻的认识，同时也锻炼了我们解决突发情况的能力，这对以后的学习有巨大的帮助。同时，我们也通过这一段时间的联系，也积累了一些做实验的经验，比如细心，耐心等等，这些只有自己亲身体会才会学到，我想，这就是学校安排物理实验的初衷吧。14通过物理实验，我们在实践中增长知识，丰富经验，着实受益匪浅。八、参考文献【1】李朝荣 徐平 唐芳 王慕冰基础物理实验北京航空航天大学出版社，2010【2】刘丽飒 朱江 孙骞分光测衍射光栅常数的实验设计与数据处理 期刊论文 2011
