【正文】 看到光譜圖。多色儀中M2，M3的焦距為302mm，光柵常數(shù)為1/600mm，在可見光區(qū)的線色散Δλ/Δl（光譜面上單位寬度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍）。儀器采用的是有2048個(gè)像元的CCD一維線陣，其光譜響應(yīng)范圍為2001000nm，響應(yīng)峰值在550nm，動(dòng)態(tài)范圍大于210。在耗盡區(qū)內(nèi)或附近，由于電子的作用產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子被吸引到半導(dǎo)體與SiO2絕緣體的界面形成電荷包，這些電子是可以傳導(dǎo)的。圖5 CCD示意圖襯底是P型Si，硅表面是一層二氧化硅薄膜，膜上是一層金屬作電極，這樣硅和金屬之間形成一個(gè)小電容。將CCD一維線陣放在光譜面上，一次曝光就可獲得整個(gè)光譜。轉(zhuǎn)開平面鏡M4，可使M3直接成像于光電探測(cè)器CCD上，它測(cè)量的譜段與觀察屏P上看到的完全一致。轉(zhuǎn)動(dòng)光柵G可改變中心波長(zhǎng)，整條譜帶也隨之移動(dòng)。衍射后的平行光束經(jīng)球面反射鏡M3和平面鏡M4成像于觀察屏P。光源S經(jīng)透鏡L成像于多色儀的入射狹縫S1，入射光經(jīng)平面反射鏡M1轉(zhuǎn)向90176。在攝取一段光譜的過程中不需要譜儀進(jìn)行機(jī)械掃描，不存在由于機(jī)械系統(tǒng)引起的波長(zhǎng)不重復(fù)的誤差，減少了光源強(qiáng)度不穩(wěn)定引起的譜線相對(duì)強(qiáng)度誤差，可測(cè)量光譜變化的動(dòng)態(tài)過程。位于出射窗口的多通道光電探測(cè)器將譜帶的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓮?qiáng)弱的分布，由信號(hào)處理系統(tǒng)掃描、讀出、經(jīng)A/D變換后存儲(chǔ)并顯示在計(jì)算機(jī)上。光學(xué)多道檢測(cè)系統(tǒng)的基本框圖如圖3所示。圖2氫原子的巴耳末系光譜氫原子的巴耳末線系的頭幾條譜線的波長(zhǎng)為： 線 線 線 線波長(zhǎng)（nm） 2．儀器組成：光學(xué)多道分析器是一臺(tái)多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀，CCD接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，計(jì)算機(jī)組成。s1從圖1中可知，從至躍遷，光子波長(zhǎng)位于可見光區(qū)，其光譜符合規(guī)律 （m = 3，4，5 … ） （5）這就是1885年巴耳末發(fā)現(xiàn)并總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，稱為巴耳末系。從可得氫原子各能級(jí)的能量 （4）式中h = 1015eV1．氫原子光譜圖1是氫原子的能級(jí)圖，根據(jù)玻爾理論，氫原子的能級(jí)公式為： （n = 1，2，3 … ） （1）圖1氫原子的能級(jí)圖式中稱為約化質(zhì)量，為電子質(zhì)量，為原子核質(zhì)量。常用的光譜有吸收光譜、發(fā)射光譜和散射光譜，波段從X射線、紫外線、可見光、紅外光到微波和射頻波段?！緝x器用具】汞燈,氫氘燈,WGD－6型光學(xué)多道分析器。實(shí)驗(yàn)一 (B) 氫原子光譜的研究 用光學(xué)多道分析器研究氫原子光譜【目的要求】1．測(cè)定氫原子的巴耳末系發(fā)射光譜的波長(zhǎng)和氫原子的里德伯常數(shù)。依據(jù)最小二乘法得：， ，，代入解得： ， 根據(jù)、和可推得：所以：，代入數(shù)據(jù)得：氫的里德伯常數(shù)。表1：氫原子和氘原子的巴耳末線系譜線波長(zhǎng)原子譜線標(biāo)準(zhǔn)值（nm）選擇參數(shù)測(cè)量結(jié)果（nm）工作方式工作范圍工作狀態(tài)采集次數(shù)模式間隔(nm)波長(zhǎng)（nm）最大值最小值負(fù)高壓增益氫能量65565710000620V350氘氫能量48548710000750V350氘氫能量43243510000800V350氘氫能量40841210000900V350氘7．根據(jù)測(cè)量得到的氫原子和氘原子的巴耳末線系譜線的波長(zhǎng)，用線性擬合方法求出氫原子和氘原子的里德伯常數(shù)。每輸入一組脈沖。）中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使光柵轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。CCD的積分時(shí)間可以在10ms40s之間任意改變。前置放大器的增益現(xiàn)為1，2，…，7七個(gè)檔次，數(shù)越大放大器的增益越高。光信號(hào)經(jīng)過倍增管（或CCD）變?yōu)殡娦盘?hào)后，首先經(jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過A/D變換，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，最終由計(jì)算機(jī)處理顯示。光電信號(hào)前置放大器 放大的光電信號(hào)增益控制信號(hào)系統(tǒng)控制信號(hào)光譜數(shù)字信號(hào)/變換/變換步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào) 負(fù)高壓控制信號(hào)負(fù)高 壓電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源負(fù)高壓2131電子計(jì)算機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖圖4光譜儀的工作原理光譜儀的探測(cè)器為光電倍增管或CCD，用光電倍增管時(shí)，出射光通過狹縫S2到達(dá)光電倍增管。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，由計(jì)算機(jī)對(duì)光譜儀進(jìn)行掃描控制、信號(hào)處理和光譜顯示。氘與氫具有相同的能級(jí)結(jié)構(gòu)，因而光譜結(jié)構(gòu)也相同，氫原子光譜的每一組譜線都是兩條波長(zhǎng)非常接近的譜線，一條是氫原子的譜線，一條是氘原子的譜線。圖2氫氘光譜圖3氫氘光譜巴耳爾末線系的線具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)（或不同質(zhì)量數(shù)）同一元素的不同核素互為同位素。s1從圖1中可知，從至躍遷，光子波長(zhǎng)位于可見光區(qū)，其光譜符合規(guī)律 （m = 3，4，5 … ） （5）這就是1885年巴耳末發(fā)現(xiàn)并總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，稱為巴耳末系。從可得氫原子各能級(jí)的能量 （4）式中h = 1015eV1．氫原子光譜圖1是氫原子的能級(jí)圖，根據(jù)玻爾理論，氫原子的能級(jí)公式為： （n = 1，2，3 … ） （1）圖1氫原子的能級(jí)圖式中稱為約化質(zhì)量，為電子質(zhì)量，為原子核質(zhì)量。常用的光譜有吸收光譜、發(fā)射光譜、和散射光譜，波段從X射線、紫外線、可見光、紅外光到微波和射頻波段。近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（1）寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院近代物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)一（A） 氫、氘光譜實(shí)驗(yàn)【目的要求】1．測(cè)定氫原子與氘原子的巴耳末系發(fā)射光譜的波長(zhǎng)和氫原子與氘原子的里德伯常數(shù)；2．了解WGD－8A型組合式多功能光柵光譜儀的原理和使用方法?！緝x器用具】氫氘燈、WGD－8A型組合式多功能光柵光譜儀【原 理】光譜是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要手段，它廣泛地應(yīng)用于化學(xué)分析、醫(yī)藥、生物、地質(zhì)、冶金、考古等部門。本實(shí)驗(yàn)通過用光柵光譜儀測(cè)量氫原子與氘原子在可見波段的發(fā)射光譜，了解光譜與微觀結(jié)構(gòu)（能級(jí)）間的聯(lián)系和掌握光譜測(cè)量的基本方法。電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射的光子能量為兩能級(jí)間的能量差， （ m n ） （2）如以波數(shù)表示，則上式為 （3）式中為氫原子的里德伯常數(shù)，單位是，稱為光譜項(xiàng)，它與能級(jí)是對(duì)應(yīng)的。s ，c = 108m氫原子的萊曼系位于紫外，其他線系均位于紅外。氫原子核只有1個(gè)質(zhì)子沒有中子，氘D（又叫重氫）是氫的同位素，它的原子核由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成。氫原子和氘原子的巴耳末線系的頭幾條譜線的波長(zhǎng)為： 線 線 線 線波長(zhǎng) H： D： 2．儀器組成：WGD8A型組合式多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，計(jì)算機(jī)組成。其工作原理如圖4所示。用CCD做探測(cè)器時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)小平面反射鏡M1，使出射光通過狹縫S3到達(dá)CCD，CCD可以同時(shí)探測(cè)某一個(gè)光譜范圍內(nèi)的光譜信號(hào)。前置放大器的增益、光電倍增管的負(fù)高壓和CCD的積分時(shí)間可以由控制軟件根據(jù)需要設(shè)置。光電倍增管的負(fù)高壓也分為1，2，…，7七個(gè)檔次，數(shù)越大所加的負(fù)高壓越高，每檔之間負(fù)高壓相差約200V。掃描控制是利用步進(jìn)電機(jī)控制正弦機(jī)構(gòu)（根據(jù)光柵方程，波長(zhǎng)和光柵的轉(zhuǎn)角成正弦關(guān)系，因此采用正弦機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)在輸入一組電脈沖后，就可以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，相應(yīng)地絲杠上螺母就移動(dòng)一個(gè)固定的距離?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1．連接光柵光譜儀電源與計(jì)算機(jī)USB接口連線；2．打開光柵光譜儀電源開關(guān)，打開氫氘燈電源開關(guān)，氫氘燈對(duì)準(zhǔn)WGD8A型光柵光譜儀的物鏡狹縫（狹縫寬度取50），光柵光譜儀上光電倍增管狹縫取10；3．運(yùn)行WGD8A倍增管系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)進(jìn)行檢索；4．設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：工作方式：模式――能量 間隔――工作范圍：起始波長(zhǎng)：400nm 終止波長(zhǎng)：660nm 最大值：1000 最小值：0工作狀態(tài)：負(fù)高壓：800V（手動(dòng)調(diào)節(jié)光柵光譜儀電源上負(fù)高壓調(diào)節(jié)旋鈕至800V，此時(shí)軟件調(diào)節(jié)不起作用，負(fù)高壓越高，倍增管越靈敏） 增益：3采集次數(shù)：205．?dāng)?shù)據(jù)掃描：?jiǎn)螕簟皢纬獭边x項(xiàng)，儀器開始掃描，計(jì)算機(jī)顯示出氫原子和氘原子的可見光區(qū)域的巴爾末線系譜線，打印該光譜線圖；6．分別定量測(cè)量氫原子和氘原子的巴耳末線系譜線（系統(tǒng)參數(shù)的選擇參考表1）：將 測(cè)量結(jié)果填入表1，并打印氫原子和氘原子的巴耳末線系譜線圖。附：根據(jù)，()用線性擬合求出和的方法：已測(cè)知：，根據(jù)：，則：， 令： 時(shí)，；時(shí)，；時(shí)，；時(shí)，；設(shè)擬合方程為：，其中 ，()。氘的里德伯常數(shù)：氫和氘的相應(yīng)波長(zhǎng)差為： 因?yàn)椋?，所以，得：根?jù)圖3氫氘光譜巴耳爾末線系的線波長(zhǎng)及氫的里德伯常數(shù)為：，代入上式得：。2．了解光學(xué)多道分析器的原理和使用方法?！驹? 理】光譜是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要手段，它廣泛地應(yīng)用于化學(xué)分析、醫(yī)藥、生物、地質(zhì)、冶金、考古等部門。本實(shí)驗(yàn)通過用光學(xué)多道分析器測(cè)量氫原子在可見波段的發(fā)射光譜，了解光譜與微觀結(jié)構(gòu)（能級(jí)）間的聯(lián)系和掌握光譜測(cè)量的基本方法。電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射的光子能量為兩能級(jí)間的能量差： （ m n ） （2）如以波數(shù)表示，則上式為： （3）式中為氫原子的里德伯常數(shù)，單位是，稱為光譜項(xiàng)，它與能級(jí)是對(duì)應(yīng)的。s ，c = 108m氫原子的萊曼系位于紫外，其他線系均位于紅外。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電