光学多道实验报告.doc
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1、-光学多道与氢、氘同位素光谱1、引言光谱是不同强度的电磁辐射按照波长的有序排列,而原子光谱是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱。由于氘原子和氢原子核外都只有一个电子,只是里德伯常量有一些差异,因此对应的谱线波长稍有差异。我们可以在实验过测出对应的谱线和来得到二者的里德伯常量和电子与质子的质量比。2、原理2.1 物理原理可知原子能量状态为一系列的分立值,有一系列的能级,并且当高能级的原子跃迁到低能级的时候会发射光子。设光子能量为,频率为,高能级为E2,低能级为E1,则有:= h=E2-E1 1从而有=2由于能量状态的分立,发射光子的频率自然也分立,这些光会在分光仪
2、上表现为分立的光谱线,也就是线状光谱。根据巴尔末公式,对氢原子有 =( - ) 3为氢原子的里德伯常量。当=2,=3,4,5,时,光谱是巴尔末系,在可见光区域。对氘原子,同样有=( - )4是氘原子的里德伯常量,当=2,=3,4,5,时,光谱是巴尔末系。则 =-= ( - ) ( - ),n=2,3,4,5假设忽略质子和中子的细微差异,我们可以得到H、D的里德伯常量关系为:= , =6又知=109737.31,它是原子核质量为无穷大时候的里德伯常量则=27 - =( - )=8由于,则9因此只要在实验中测出对应谱线和即可得电子和质子质量比。2.2 仪器原理光栅多色仪其光路图如以下图所示:图1
3、光栅多色仪光路图其中,S1入射狭缝 M1平面反射镜 S2CCD感光平面 M2-凹面镜 S3-观察窗口 M3凹面镜 G平面衍射光栅 M4平面反射镜光从狭缝S1入射,经过平面镜M1反射后,被凹面镜M2反射成平行光并且投射到光栅G上。由于光栅具有衍射作用,不同波长的光被反射到不同的方向上衍射角不一样,再经过凹面镜M3反射,成像在CCD感光平面所在焦面上,还可由可旋入的平面镜M4反射到观察窗S3或者出射狭缝上。可知假设在光栅光谱仪的像平面处装上出射狭缝,经过色散系统得到的单色光可从狭缝相继出射,这样的仪器就叫做单色仪。而假设在像平面处有系列狭缝或矩形开口,可同时出射多个单色光,这种仪器叫做多色仪。从图
4、中我们可知像平面处是有矩形开口的,因此仪器为多色仪,实验也是光学多道实验。光栅光谱仪的角色散率为 =(在衍射角不大的情况下) 10式中a为光栅常数,m为干预级数。公式说明,光栅常数越小即刻线越密,它的角色散率越大,干预级数越高。光栅光谱仪的分辨本领为R=mN 11其中N是光栅的总可娴熟。因此,同样光栅常数的光栅,它的划刻面越大,即总刻线条数越多,它的分辨本领越大。CCD光电探测器CCD器件具有高灵敏度,低噪声,快速读出等优点。它主要是金属氧化物半导体制成的光电转换二极管,称为感光像元,排成面阵列或线阵列。这些像元可以将信号光子转变成信号电荷并实现电荷的储存、转移和读出。光电倍增管光电倍增管是一
5、种将弱光信号转化为电信号的真空电子器件。其根本实验原理为光电效应,当光照到光阴极时,光阴极向真空中激发出光电子,这些光电子按聚集极电场进入倍增系统,并通过进一步的二次发射得到倍增放大,放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统,所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光探测器中具有极高的灵敏度和极低的噪声。故实验中用光电倍增管观察两条距离很近的谱线的别离,更加准确。3、实验3.1 实验仪器实验中主要用到光栅多色仪、CCD光电探测器和光电倍增管。在光栅多色仪中,我们使用的是闪耀光栅。在狭缝S1前放置光源,假设将光栅多色仪的观察窗置于CCD处,则光在经过光栅多色仪后
6、出射到CCD光电探测器上,通过光电转化得到氢的光谱。由于实验中采用的是定标的方式,因此实验结果较为准确。而在测量氢氘谱线时,由于氢光谱和氘光谱的波长差较小,我们需要将小信号放大,因此将观察窗置于光电倍增管处。我们在实验中使用的是具有2048个像元的线阵列CCD器件。3.2实验方法在实验开场前估算分别等于3,4,5时氢光谱的巴尔末系波长结果如表1所示,接下来用)谱线作为波长进展波长测量的定标。选择哪种灯根据待测谱线附近哪种原子的谱线较多来确定。在使用CCD来对光谱测定时,只能显示一个22nm的标度,我们并不能够知道谱线和波长的对应关系。根据估算出的待测氢谱线来确定标准谱,选定标准谱在估测待测的氢
7、,谱线附近,并且反复调节中心波长使得同一个摄谱围既可以观察到待测的氢谱线,也可以观察到至少两根标准谱线。在标度,光栅光谱仪的扫描谱线与对应波长的关系满足线性关系近似,因此可以通过线性方式来定标。之后用光电倍增管对H-D光谱进展测量。先用CCD检测H-D光源的每一条谱线确定同一级别的谱线是别离的。然后选择光栅光谱仪的倍增管模式,对400-600nm之间的谱线进展单程扫描,然后分别对=3,4,5的谱线进展扩展和寻峰,观察分立的两条光谱。测出氢氘光谱线的波长,算出相互间的波长差。将用光电倍增管测出的氢光谱与步骤1中所测出的氢光谱比较并进展波长修正。由于所做的实验在空气中,因此我们需要将波长换算成真空
8、中的波长及波数。最后计算出和,并与公认值比较,并以波数为单位,按比例画出氢、氘的能级图。表1:氢氘光谱的估算=109677.58,=109707.443456/nm656.47486.27434.17410.29/nm656.29486.14434.05410.18在实验过程中对于检索结果可以截图并将文件储存好,截得的图片可以按照时间顺序和容命名并整理。4 实验结果分析与讨论4.1用CCD光学多道系统测量氢光谱首先需对标准谱进展定标,然后采用线性定标的方式这是由于光栅光谱仪的扫描谱线与对应波长的关系近似满足线性关系明确扫描谱线和波长的关系。由于界面上只能显示一个22nm的标度,因此我们要求在氢
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