实验原理:氢原子光谱光谱线波长是由产生这种光谱的原子能级结构所决定的。每一种元素都有自己特定的光谱,所以称它为原子的标识光谱。光谱实验是研究探索原子内部电子的分布及运动情况的一个重要手段。(巴尔末,1825-1898)发现,在可见光区氢原子谱线可以由下面公式确定:(4-1)其中n是大于2的整数,是实验常数,称为里德伯(Rydberg)常数。由上式确定的氢谱线为巴尔末线系,当=3,4,5,6时,所得的谱线分别标记为、、、。以这些经验公式为基础,(玻尔,1885-1962)建立了氢原子的理论(玻尔模型),并从而解释了气体放电时的发光过程。根据玻尔理论:当原子从高能量的能级跃迁到低能量的能级时,以光子的形式释放能量。氢原子n能级上的能量为(n是正整数),所以光子的波数(4-2)其中=1,2,3……, =+1,+2,+3……。根据玻尔模型得到里德伯常数的理论值为(4-3)代入各常数值计算,RH=×107m-1。该值与实验值十分接近。A’ABD’CDEC’iFGHI’IJJ’恒偏向角棱镜图4-1恒偏向角棱镜三棱镜的光谱实验一般在最小偏向角附近进行。由于不同波长的光和不同材料棱镜折射的最小偏向角不同,测量时要先寻找各种波长的光的最小偏向角,十分不方便。为此本实验所用的摄谱仪中采用的是恒偏向角棱镜,其结构如图4-1所示。A’BD’是三棱镜,光线以i角入射。在三棱镜中作一正方形AC’EC,同时形成了一个包含在原三棱镜内的四边形AC’D’E。以A,E为对称轴,得到与AC’D’E对称的四边形ACDE。ABCDE是一五边棱镜。入射光在AE面上发生全发射。这样原经HI’J’出射的光线现经HIJ出射,。当满足三棱镜的最小偏向角条件时,i=i0,所以入射光和折射光偏转角度恒为90°。实验装置及操作要点:-2 棱镜读(摄)谱仪光路图本实验选用小型棱镜摄谱仪,通过照相法测定光谱线的波长。如果不用照相机拍片,而是在输出端用测微目镜读数,则此装置称为“读谱仪”。小型棱镜摄谱仪的光路见图4-2。摄谱仪的内部各光学元件的调整步骤大致如下:将摄谱仪及附件按图4-2a布置,S为待测光源。L为聚光透镜,它将光源S的像成于狭缝S1的附近,调节好S与L的位置,使它们与平行光管共轴、等高,并均匀照亮整个狭缝,使通过摄谱仪的光通量能达到最大值。也可将光源放到S1附近,调整光源的位置,使谱线清晰明亮。调节狭缝S1与透镜L1的相对位置,使S1在L1的焦平面上,以产生平行光。调节L2的位置使狭缝成像在底版F上最清晰。调此步时要将L2放于不同位置,通过拍摄谱线进行比较,得出最佳位置。调节底片暗箱的倾角,得到各波长的清晰的谱线,用拍摄谱线的方法,进行比较。图4-3比较谱与待测谱转动鼓轮以调节棱镜的角度,使特定波长折射光满足最小偏向角条件。该光线正好沿与入射方向垂直的方向射出,谱线位于底片当中,相邻谱线位于其两侧。从照相底版上无法直接读出各谱线的波长,为了测量某谱线的波长,我们必须在待测谱线的上方或下方并排拍摄一已知波长的光谱,叫做比较光谱,如图4-3所示,比较光谱一般为铁光谱,铁谱通过纯铁电极的电弧放电得到。拍摄上、下两排比较光谱时,应该选择不同的曝光时间,以得到所有波段都较为清晰的谱线。用读谱法实验时,可采用氦氖灯
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