包邮近代物理实验

第1章 原子物理实验 本章涉及了氢原子光谱、塞曼效应、弗兰克-赫兹实验和密立根油滴实验4个经典实验。 1.1 氢原子光谱 在众多的现代物理研究方法中，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。这是由于光谱线系与原子结构有着极为密切的联系。而原子光谱的观测为近代量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年，巴耳末通过对前人氢光谱测量结果的总结，从中发现了氢光谱的规律，并由此提出了著名的巴耳末公式。根据巴耳末公式求得的里德伯常量是物理学中常用的几个*精确的常数之一，它是检验原子理论可靠性的重要标准，并成为测量其他基本物理常量的依据。1932年尤里(H.C.Urey)根据里德伯常量随原子核质量不同而变化的规律，在对重氢莱曼线系进行摄谱分析时，发现了氢的同位素——氘的存在。至今，对原子光谱的观测研究，仍然是研究原子结构的重要方法之一。尤其是近些年来激光和计算机技术的发展，使光谱技术的观测手段呈现出全新的面貌。 WDS－6型光栅光谱仪用于近代物理实验中的氢(氘)原子光谱实验，简单易行，改变了传统通过在大型摄谱仪上采用感光胶片记录的方法，从而使光谱既可在微机界面上直观显示，实验结果准确明了，同时又减少了不必要的浪费。 1.1.1 实验目的 (1)熟悉并掌握WDS-6型光栅光谱仪的使用。 (2)拍摄氢原子光谱的巴耳末线系并确定常量RH。 1.1.2 实验原理 根据里德伯常量随原子核质量不同而变化的规律，1932年尤里用蒸发液氢的方法获得重氢含量较高的氢和重氢混合物，在对莱曼线系的光谱分析中，发现氢原子光谱中每条线都是双线。经过波长测量并与重氢核所得到的双线波长相比较，实验值与理论值符合得很好，见表1.1.1，从而确立了氢的同位素——氘(D)的存在。 根据经典电磁理论，原子外层电子绕核做匀速圆周运动，做加速运动的电子将不断向外辐射电磁波，并且辐射电磁波的频率也是连续的，这与实验上发现的原子光谱是分裂的相矛盾。就此，丹麦物理学家玻尔(BohrNiels)于1913年提出了三点假设。 表1.1.1 巴耳末线系氢谱波长 (1)定态假设：原子中的电子可以在一些特定的圆轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态，简称定态。与定态相应的能量分别为E1，E2，...... (2)量子化条件：电子以速度v在半径为r的圆周上绕核运动时，只有电子的角动量L等于h/2π的整数倍的那些轨道是稳定的。 (3)频率条件：原子(电子)从高能量的定态跃迁到低能量的定态时，要发射光子。 根据玻尔理论我们知道，原子的能量是量子化的，具有分立的能级，当电子从高能级跃迁到低能级时，原子释放出能量，并以电磁波的形式辐射。氢原子光谱在远红外、可见光区和近紫外区有若干独立的光谱线系，其中可见光区的巴耳末线系各波长都遵循巴耳末公式式中，mH为原子核质量，me为电子质量，e为电子电荷，h为普朗克常量，ε0为真空介电常量，c为光速，Z 为原子序数，RH为里德伯常量，因此类氢原子的里德伯常量可写成 若mz→∞，则有 里德伯常量是重要的基本物理常量，目前它的推荐值为 由式(1.1.4)得 由此可以得出，Rz将会随原子核质量mz发生变化，对于不同的元素或同一元素的不同同位素Rz值将会有所不同，但mz对Rz影响很小，由于其相应的波数很接近，就形成了原子光谱上较难区分的双线。 令氢和氘的里德伯常量分别为RH和RD，氢、氘光谱的波数遵循里德伯公式 因此，通过实验测量氢、氘的巴耳末线系的谱线波长，可利用式(1.1.6)、式(1.1.7)求出氢、氘的里德伯常量RH和RD。 根据式(1.1.5)有式中，mH和mD为氢和氘原子核质量，用式(1.1.8)除以式(1.1.9)，得式中，mH/me为氢的原子核质量与电子质量比，公认值为1836.15。因此式(1.1.10)也可写为 对原子光谱的测量，所得到的数据有较多的有效数字，能达到一定的测量精度，因此它成为测定其他一些基本常量的重要引入值，在现代测量中起着重要的作用。 1.1.3 实验仪器装置 WDS系列多功能光栅光谱仪的操作由计算机操作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度，出射狭缝宽度和CCD接收系统不受计算机控制用手工设置外，其他的各项参数设置和测量均由计算机来完成。WDS系列多功能光栅光谱仪结构框图如图1.1.1所示。 1.光学系统 光谱仪光学系统如图1.1.1所示。通过旋转M3选择出射狭缝S2或S3从而选择接收器件类型，出射狭缝为S2为光电倍增管或硫化铅、钽酸锂、TGS等接收器件；出射狭缝为S3为CCD接收器件。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度在0~2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M1的焦面上，通过S1射入的光束经M1反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M2成像在S2上，或经物镜M2和M3平面成像在S3上。 光源系统为仪器提供工作光源，可选氘灯、钨灯、钠灯、汞灯等各种光源。 图1.1.1 WDS系列多功能光栅光谱仪光学系统透射图 2.电子系统 电子系统由电源系统、接收系统、信号放大系统、A/D转换系统和光源系统等部分组成。 电源系统为仪器提供所需的工作电压；接收系统将光信号转换成电信号；信号放大器系统包括前置放大器和放大器两个部分；A/D转换系统将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行处理。 3.软件系统 WDS系列多功能光栅光谱仪的控制和光谱数据处理操作均由计算机来完成。软件系统主要功能：仪器系统复位、光谱扫描、各种动作控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数据文件管理、光谱数据的计算等。 4.CCD操作系统 WDS系列多功能光栅光谱仪器系统操作软件根据型号不同和接收仪器不同配有PMT操作系统和CCD操作系统。每一系统均可采用快捷键和下拉菜单来进行仪器操作，下面分别进行说明。 1)开机与系统复位 确认光栅光谱仪已经正确连接并打开电源。 在Windows操作系统中，从“开始”——“程序”——“WDS系列光栅光谱仪”中执行相应的CCD可执行程序，或双击桌面上的快捷方式，启动系统操作程序。在系统初始化过程后应有波长复位正确的提示，然后按“确定”进入系统操作主界面。 2)菜单栏中使用 系统菜单栏中包括文件、采集、数据处理、系统操作和帮助五项内容。下面分别进行介绍。 (1)文件。文件菜单中包括新建、打开、存盘、测量参数、打印和退出系统等项。其中，新建，即清除当前图谱文件并重新建立一个图谱文件。 打开，即打开已存图谱文件，可根据系统提示选择文件所在路径。 存盘，即保存当前图谱文件，可根据系统提示选择文件保存路径。 测量参数，即根据测量需对系统参数进行相应的设置，通常情况下采取默认值即可。 打印，即根据提示对话框，打印当前图谱。 退出系统，当结束系统测量，选择此项，根据提示退出光栅光谱仪操作系统。 (2)采集。采集菜单中包括一次采集，连续采集和门值设置等项。 其中，一次采集，即在当前中心波长对当前光谱进行一次性记录。 连续采集，即在当前中心波长对当前光谱进行连续性记录，时时刷新。 门值设置，系统默认门值设置为－1，当要去除较小的峰值时，可通过设置门值来进行限制。 (3)数据数理。数据处理菜单中包括读取数据、光谱平滑、峰值检索、刻度扩展、显示光谱参数、像元波长转换和谱线运算等项。其中，读取数据，即读取当前图谱的横、纵坐标数据，可选择列表方式或光标读取方式。 光谱平滑，点击此项系统将对当前图谱文件进行平滑处理，以去掉噪声或过小的峰值，来方便图谱的读取或辨别。 峰值检索，指读当前图谱文件中一定范围内的峰值进行检索并将结果显示出来。点击此项弹出对话框，提示输入峰值高度，输入峰值高度后，点击确定即可。 刻度扩展，指对当前横、纵坐标的起始，终止刻度在系统允许的范围内进行相应的放大或缩小。点击此项功能将弹出对话框。 显示光谱参数，即显示当前光谱的测量参数。 像元波长转换，即选择将系统操作界面的横坐标用像元或波长的方式显示。 谱线运算，即对当前光谱的与常数加、减、乘、除四则运算。 (4)系统操作。系统操作菜单中主要包括检索仪器中心波长、检索谱线中心波长、零点波长校正、系统参数设置和系统复位等项。其中，检索仪器中心波长，即将操作系统界面显示的中心波长检索至目的波长处。 检索谱线中心波长，即若当前显示的图谱文件中心波长非仪器当前中心波长时，用此项功能将仪器中心波长检索值谱线中心波长。 零点波长校正，当对光栅光谱仪器系统检测发现系统波长值与准确波长不对应时，可通过项对系统波长进行校正，在对话框中输入系统值与实际波长值的差值，点击确定即可。 系统参数设置，即系统调试时用到的一些数据，用户不可更改。 系统复位，当仪器在运行过程中发现有不正常现象出现时，可点击此项对系统进行重新复位，以消除影响。 3)工具栏的使用 工具栏中主要包括新建、打开、保存、打印、波长检索、参数设置、读取数据、峰值检索、刻度扩展、放大、缩小和屏幕刷新等项。其中，新建、打开、保存、打印和参数设置等项包含于菜单栏的“文件”菜单中；波长检索包含于菜单栏中的“系统操作”菜单中；读取数据、峰值检索和刻度扩展包含于菜单栏中的“数据处理”菜单中；一次采集和连续采集包含于“采集”菜单中。 屏幕刷新，即刷新当前图谱屏幕显示以清除数据标注的字符。停止，点击此项，系统将停止当前操作。 4)退出系统与关机 当系统测试结束后，将入射狭缝调节至0.1mm左右，点击菜单栏中“文件\退出系统”，按照提示关闭电源退出仪器操作系统。 1.1.4 实验内容和步骤 1.实验准备 开机之前，请认真检查光栅光谱仪的各个部分连线是否正确，保证准确无误。 为了保证仪器的性能指标和寿命，在每次使用完毕，将入射狭缝宽度，出射狭缝宽度分别调节到0.1mm左右。 在仪器系统复位完毕后，根据测试和实验的要求分别调节入射狭缝宽度，出射狭缝宽度到合适的宽度。 2.接收单元 WDS-6型多功能光栅光谱仪配备有CCD接收单元。 3.狭缝调节 仪器的入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽度在0~2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小。每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm，*大调节宽度为2mm。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意不要超过2mm。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝*好调节到0.1~0.5mm。 4.电控箱的使用 电控箱包括电源、信号放大、控制系统和光源系统(氘灯和钨灯可选件，不包括在光谱仪器的标准配置中)。在运行仪器操作软件前一定要确认所有的连接线正确连接且已经打开电控箱的开关。