原子光譜與光譜技術(shù)

原子光譜與光譜技術(shù)

緒言
光譜學(xué)是物理學(xué)史上現(xiàn)代期的先導(dǎo)，在人類認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用。
光譜學(xué)的發(fā)現(xiàn)可以追溯到十七世紀(jì)的牛頓，他為了說明彩虹的形成，1666年用分光鏡把白光分解成光譜，他正確地解釋了這是由于不同光線折射率不同引起的，可以說是牛頓開創(chuàng)了光譜學(xué)的研究。正如著名物理學(xué)家斯托列托夫所說，牛頓的偉大實驗開辟了整個光譜學(xué)。以后的一百多年在光譜學(xué)的研究并沒有重大進(jìn)展，直至十九世紀(jì)初才開始進(jìn)一步研究，光譜的性質(zhì)逐漸被人所認(rèn)識，并愛到了重視。1859年本生和基爾霍夫制成了第一臺棱鏡光譜儀。開始了光譜與物質(zhì)組成的關(guān)系，確認(rèn)各種物質(zhì)都具有自己的特征譜線，從而開創(chuàng)了"光譜化學(xué)分析"這一學(xué)科領(lǐng)域。由于光譜分析對鑒定物質(zhì)化學(xué)成份的巨大意義，導(dǎo)致了光譜研究的急驟發(fā)展和應(yīng)用。很快地就有人把分光鏡用于天文觀測，立即得到了重大發(fā)現(xiàn)，知道天上的物質(zhì)與地上一樣，而當(dāng)時地上沒看到過的氦元素，則是先從太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的，接著，分光鏡為填滿元素周期表的空缺立下了巨大功勞。
光譜學(xué)的最大特色之一是許多不可接觸和不許損傷的對象，別的儀器和別的方法無能為力時，可以用光譜方法解決問題。典型的如天文對象、高溫物體（火焰之類）、放電氣體……可以說，在分子和原子層次上物質(zhì)作分析研究，主要是用光譜方法。20世紀(jì)初的物理學(xué)革命，是從光譜的實驗現(xiàn)象引發(fā)的。普朗克的量子論就是為解釋空腔黑體的光譜強度提出的，玻爾的氫原子能級理論是以氫原子光譜為根據(jù)建立的，著名的塞曼效應(yīng)、拉曼效應(yīng)等等，為量子力學(xué)理論和現(xiàn)代物理實驗技術(shù)的發(fā)展打下了豐厚而堅實的基礎(chǔ)。
光譜學(xué)識一門歷史悠久、古老的學(xué)科，又是一門充滿生機和活力的學(xué)科。它的創(chuàng)造性進(jìn)展和應(yīng)用仍然日新月異，尤其是近30多年來，激光和計算機技術(shù)的成就，使光譜學(xué)和光譜技術(shù)出現(xiàn)了全新的面貌，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
本單元實驗由塞曼效應(yīng)、氫氘光譜實驗、喇曼光譜實驗組成，這些實驗在物理學(xué)的發(fā)展史上起過重要里程碑的作用，為人類認(rèn)識物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其他眾多學(xué)科的發(fā)展提供了必要的理論基礎(chǔ)和實驗方法。學(xué)習(xí)這些實驗的目的，是為了學(xué)習(xí)和研究光譜技術(shù)和原子結(jié)構(gòu)的基本原理、實驗方法、分析方法及其在多學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用。
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塞曼效應(yīng)
塞曼效應(yīng)是物理學(xué)史上一個著名的實驗。荷蘭物理學(xué)家塞曼(Zeeman)在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發(fā)光體，使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。
塞曼效應(yīng)是法拉第磁致旋光效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應(yīng)。這個現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁距和空間取向量子化，使人們對物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解；特別是由于及時得到洛侖茲理論的解釋更受到人們的重視。
塞曼效應(yīng)另一引人注目的發(fā)現(xiàn)是由譜線的變化來確定離子的荷質(zhì)比的大小、符號。根據(jù)洛侖茲(H.A.Lorentz)的電子論，測得光譜的波長，譜線的增寬及外加磁場強度，即可稱得離子的荷質(zhì)比。由塞曼效應(yīng)和洛侖茲的電子論計算得到的這個結(jié)果極為重要，因為它發(fā)表在J、J湯姆遜(J、J Thomson) 宣布電子發(fā)現(xiàn)之前幾個月，J、J湯姆遜正是借助于塞曼效應(yīng)由洛侖茲理論算得的荷質(zhì)比，與他自己所測得的陰極射線的荷質(zhì)比進(jìn)行比較具有相同的數(shù)量級，從而得到確實的證據(jù)，證明電子的存在。
塞曼效應(yīng)被譽為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。
1902年塞曼與洛侖茲因這一發(fā)現(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。至今，塞曼效應(yīng)依然是研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的重要方法。
實驗通過觀察并拍攝Hg(546.1nm)譜線在磁場中的分裂情況，測量其裂距并計算荷質(zhì)比e/m。
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氫氘光譜
原子光譜是研究原子結(jié)構(gòu)的一種重要方法。1885年，巴爾末（J.J.Balmer）根據(jù)人們的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了氫光譜的規(guī)律，提出了著名的氫光譜線的經(jīng)驗公式。氫光譜規(guī)律的發(fā)現(xiàn)為玻爾理論的建立提供了堅實的實驗基礎(chǔ)，對原子物理學(xué)和量子力學(xué)的發(fā)展起了重要作用。1932年尤里（H.C.Urey）根據(jù)里德堡常數(shù)隨原子和質(zhì)量不同而變化的規(guī)律，對重氫賴曼線系進(jìn)行攝譜分析，發(fā)現(xiàn)氫的同位素--氘的存在。
同位素是英國人索迪于1911年開始使用的。1919年英國物理學(xué)家阿斯頓（F. W. Aston）制成了用來分離不同質(zhì)量并測定粒子質(zhì)量的粒子質(zhì)譜儀，把研究同位素的方法提高了一大步。
在譜線上，同位素對應(yīng)的譜線會發(fā)生移位，稱同位素移位。移位大小與核質(zhì)量有關(guān)：核質(zhì)量越輕，移位效應(yīng)越大，因此氫具有最大的同位素移位。
本次實驗通過氫氘光譜的拍攝、里德伯常數(shù)和氫氘質(zhì)量比的測定，加深對氫光譜規(guī)律和同位素位移的認(rèn)識，了解攝譜儀的結(jié)構(gòu)及使用。