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1、氢原子光谱氢原子光谱本讲稿第一页，共十七页前言前言v每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分。据光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分。v原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，可以用于探索原子的结构。续性，可以用于探索原子的结构。v氢原子光谱是一种典型的线状光谱，观察其氢原子光谱是一种典型的线状光谱，观察其发射光谱，有助于理解原子结构的量子性和发射光谱，有助于理解原子结构的量子性和发射光子的机制。发射光子的机制。本讲稿第二页，共十七页实验目的实验目的v学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研
2、究的基学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术本技术v学习学习WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪的型组合式多功能光栅光谱仪的原理和操作原理和操作v测定氢原子巴尔末系发射光谱的波长和氢的测定氢原子巴尔末系发射光谱的波长和氢的里德伯常数里德伯常数v了解氢原子能级与光谱的关系，画出氢原子了解氢原子能级与光谱的关系，画出氢原子能级图能级图本讲稿第三页，共十七页实验仪器实验仪器vWGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪（型组合式多功能光栅光谱仪（仪器技术指标：仪器技术指标：波长范围波长范围200660nm；光栅；光栅2400l/mm;相对孔径相对孔径D/F=1/7;焦距焦距500mm;波长精度波长精度
3、 ;波长重波长重复性复性 ）v高压汞灯、氢氘灯高压汞灯、氢氘灯v计算机系统计算机系统本讲稿第四页，共十七页实验原理实验原理一、玻尔理论的基本假设一、玻尔理论的基本假设 19131913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假设：的分立性，提出假设：v定态假设：定态假设：原子系统只能处在一系列具有不连续能量的稳定状态(定态)。定态时核外电子在一定的轨道上作圆周运动，但不发射电磁波vv频率条件频率条件:当原子从一个能量为当原子从一个能量为E En n的定态跃迁到另一个能量为的定态跃迁到另
4、一个能量为E Ek k的定态的定态时，就要发射或吸收一个频率为时，就要发射或吸收一个频率为 knkn的光子的光子v量子化条件量子化条件:电子在稳定圆轨道上运动时，其轨道角动量L=mvr必须等于h/2的整数倍，即本讲稿第五页，共十七页二、氢原子轨道半径和能量的计算二、氢原子轨道半径和能量的计算（1）根据牛顿定律和库仑定律有）根据牛顿定律和库仑定律有而而故故当当 为玻尔半径为玻尔半径（2）氢原子的能量等于电势能和电子的动能之和：）氢原子的能量等于电势能和电子的动能之和：vv 量子化的能量称为能级量子化的能量称为能级本讲稿第六页，共十七页讨论：当 时，-基态能级，基态能级，此此时能量最低，原子最稳定
5、时能量最低，原子最稳定当当 时时，-激发态能级激发态能级当当 时时 此时能级趋于连续，此时能级趋于连续，原子趋于电离，即基态氢原子的电离能为原子趋于电离，即基态氢原子的电离能为13.6eV13.6eV电离状态时，电离状态时，E E00，并可连续变化并可连续变化本讲稿第七页，共十七页电子轨道电子轨道能级能级基态基态激激发发态态本讲稿第八页，共十七页（电离能）（电离能）基态基态能量能量激发态激发态能量能量 氢原子能级图氢原子能级图基态基态激激发发态态自自由由态态本讲稿第九页，共十七页氢氢原原子子能能级级跃跃迁迁与与光光谱谱系系莱曼系莱曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系三、里德伯公式三
6、、里德伯公式氢原子从高能级氢原子从高能级E En n跃迁到低能级跃迁到低能级E Ek k时，氢原子的发光频率为时，氢原子的发光频率为 波数为：波数为：其中其中 为氢原子的里德伯常数为氢原子的里德伯常数当当k k取不同值时，可得到一系列不同线系：取不同值时，可得到一系列不同线系：本讲稿第十页，共十七页莱曼系莱曼系紫外紫外巴尔末系巴尔末系可见光可见光帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系普丰德系普丰德系汉弗莱系汉弗莱系红外红外本讲稿第十一页，共十七页 1885年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前四条可见光谱四条可见光谱（巴尔末系）（巴尔末系）6563A4861A4
7、861A4341A4341A4102A3646A本讲稿第十二页，共十七页656.3nm486.1nm434.1nm410.2nm364.6nm本讲稿第十三页，共十七页实验内容实验内容1.接通电源，使光栅光谱仪进入工作状态接通电源，使光栅光谱仪进入工作状态2.双击电脑桌面上的快捷链接或双击电脑桌面上的快捷链接或“开始开始”-“程序程序”-“WGD-8A倍倍增管系统增管系统”或或“WGD-8A CCD系统系统”，分别进入倍增管和，分别进入倍增管和CCD处理系统。处理系统。3.如选择如选择CCD，调整狭缝宽度，调整狭缝宽度1.5mm左右，打开汞灯置于狭缝前方，左右，打开汞灯置于狭缝前方，设置工作方式
8、为设置工作方式为“能量能量”，间隔为，间隔为“0.10mm”，工作范围起止波长，工作范围起止波长为为“350600nm”4.点击点击“单程单程”进行扫描，测量汞光谱，并用进行扫描，测量汞光谱，并用546.07nm进行定进行定标。标。5.更换氢氘灯，调整缝宽更换氢氘灯，调整缝宽0.5mm左右，波长范围设为左右，波长范围设为“400-660nm”，间隔为，间隔为“0.01mm”重复上述操作。重复上述操作。6.如选择光电倍增管，点击如选择光电倍增管，点击“检索检索”-“实时实时”，负高压见到，负高压见到0，进进行扫描行扫描本讲稿第十四页，共十七页实验数据与处理实验数据与处理v打印出一张氢原子光谱图打印出一张氢原子光谱图v对应各峰值，读出其相应的波长值对应各峰值，读出其相应的波长值v作图，利用作图，利用 求出求出R，并与理，并与理论值比较计算相对误差。论值比较计算相对误差。v画出氢原子的能级图画出氢原子的能级图,并标出并标出 对应那对应那两个能级的跃迁。两个能级的跃迁。本讲稿第十五页，共十七页R本讲稿第十六页，共十七页常用参数常用参数本讲稿第十七页，共十七页