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专利名称：一种新型氢原子光谱实验仪和测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量氢原子光谱的实验仪器，具体的说是涉及一种利用双光束光路来实现氢原子光谱测量的实验仪器，主要应用于氢原子可见光谱线的测量。
背景技术：
原子光谱是研究原子结构的一种重要方法，每一种原子都有其特定的线状光谱。其中，氢原子的光谱最为简单并且具有明显的规律。1885年，巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，成为 检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。因此，测定氢原子可见光谱线的波长对认识原子的分离能级以及光谱规律有重要的作用。在现有的氢原子可见光谱线波长的测量中，最常用的方法是利用氦氖灯的5条红谱线作为光谱标尺，采用读谱仪测出5条氦氖红谱线和氢红线的位置；利用最小二乘法进行拟合得到氢原子红谱线的波长。但在现有的氢原子光谱测量仪器中，氦氖灯和氢灯是单光束入射系统，共用同一激励电源，一次实验需要对氦氖灯和氢灯依次轮换4次。而由于激励电源为几千伏特的高压电源，多次换灯使得该实验存在较大的安全隐患。此外，多次换灯使得实验效率低下。综上分析可知，在现有公开的背景技术中，发展一种原理简单、安全高效的新型氢原子光谱实验仪是一个待解决的技术难题。

发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种新型的氢原子光谱实验仪器，该发明具有无需换灯、操作简单、安全高效的优点。本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是一种新型氢原子光谱实验仪，其特征在于由光束入射系统、平行光管系统、色散系统和接收系统四部分构成；
所述的光束入射系统为双光束入射系统，由两支相互垂直的光路构成，一支光路为主光轴光路，依次放置氦氖灯、会聚透镜I、分束镜、滤光片和会聚透镜III，所述的分束镜位于会聚透镜I的焦平面上，另一支光路依次放置氢灯、会聚透镜II，会聚透镜II与分束镜间的距离为会聚透镜II的焦距；
所述的氢灯发出的光线经会聚透镜II后照射在分束镜上，经分束镜反射后与所述的氦氖灯发出的光线经分束镜透射后汇合，再依次照射在滤光片和会聚透镜III上；
所述的平行光管系统包括狭缝和准直镜，狭缝设置在会聚透镜III的出射光路上，准直镜使从狭缝透过的光线变成平行光，狭缝位于会聚透镜III的焦平面上；
所述的色散系统由恒偏向棱镜构成，恒偏向棱镜设置在准直镜的出射光路上，恒偏向棱镜的设置位置使射入恒偏向棱镜的光束内的最小偏向角单色光的入射光束和出射光束的夹角为90° ;
所述的接收系统由出射物镜、读谱物镜和螺旋测微目镜构成，从恒偏向棱镜射出的出射光束依次经过出射物镜和读谱物镜射在螺旋测微目镜上，螺旋测微目镜置于读谱物镜的焦平面上。本发明所述的滤光片的透过光波长范围为600nm-700nm。一种新型氢原子光谱实验仪的测量方法，
步骤一、调节恒偏向棱镜，使符合最小偏向角条件的单色光的入射光束和出射光束的夹角为90° ;
步骤二、点燃氦氖灯，调整会聚透镜I和会聚透镜III的位置，使氦氖灯发出的光线射入狭缝；
步骤三、调整螺旋测微目镜，使氦氖谱线的红光谱区调节至视场中央；
步骤四、关闭氦氖灯，点燃氢灯，调整会聚透镜II的位置，使氢灯发出的光线射入狭缝；调节螺旋测微目镜使氢红线清晰，把螺旋测微目镜的十字叉丝交点对准氢红线；
步骤五、再次点燃氦氖灯，依次记录氢红线左侧相邻的两条氦氖谱线位置、氢红线位置、氢红线谱线左侧相邻的三条氦氖谱线位置；测量谱线位置时使螺旋测微目镜的鼓轮自左至右沿一个方向转动，消除空程差；
步骤六、最后，通过最小二乘的曲线拟合方法，计算出待测氢原子光谱巴耳末系中可见光红谱线的波长。与现有技术相比，本发明的优点本发明装置是一种新型氢原子光谱实验仪，具有原理简单、操作安全、快捷高效的特点。本发明具有突出的实质性特点和显著进步，可应用于氢原子光谱的测定。


下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细的说明。附图I为现有氢原子光谱实验仪装置原理 附图2为本发明所公开的测量装置原理图。其中，100-灯架；110_氦氖灯；120_氢灯；210_会聚透镜I ;211-会聚透镜II ；310-半反半透镜；410-滤光片；212-会聚透镜III ;510-狭缝；610_准直镜；710_恒偏向棱镜；213-出射物镜；214_读谱物镜；810_螺旋测微目镜。
具体实施例方式附图I为现有氢原子光谱实验仪装置原理图；其光束入射系统为单光束入射系统，由灯架100和会聚透镜III构成，灯架100上放置氢灯和氦氖灯；由于采用的是单光束入射系统，在实验过程中，需要依次轮换点亮氢灯和氦氖灯，一次实验需要4次换灯过程，并且氦氖灯的5条红谱线和氢红线不能同时在螺旋测微目镜810上显示；所 以，现有技术存在安全隐患，实验效率低的缺点。附图2为为本发明所公开的测量装置原理图，一种新型氢原子光谱实验仪，由光束入射系统、平行光管系统、色散系统和接收系统四部分构成；其中，光束入射系统为双光束入射系统，由两支相互垂直的光路构成，一支光路为主光轴光路，依次放置氦氖灯110、会聚透镜1210、分束镜310、滤光片410、会聚透镜III212 ;所述的分束镜310位于会聚透镜1210的焦平面上；另一支光路依次放置氢灯120、会聚透镜II211 ;所述的会聚透镜II211与分束镜310间的距离为会聚透镜II211的焦距；所述的氢灯120发出的光线经会聚透镜II211后照射在分束镜310上，经分束镜310反射后与所述的氦氖灯110发出的光线经分束镜310透射后汇合，再依次照射在滤光片410和会聚透镜III212上；所述的滤光片410的透过光波长范围为 600nm-700nm ； 所述的平行光管系统包括狭缝510和准直镜610，准直镜610的作用是使从狭缝510透过的光线变成平行光；所述的狭缝510位于会聚透镜III212的焦平面上；
所述的色散系统由恒偏向棱镜710构成，其作用是将光束分解，使不同波长的单色光束沿不同的方向射出；符合最小偏向角条件的单色光，其入射光束和出射光束的夹角为90。；
所述的接收系统由出射物镜213、读谱物镜214和螺旋测微目镜810构成，所述的螺旋测微目镜810置于读谱物镜214的焦平面上。本发明装置的使用过程，其具体步骤如下
1、调节恒偏向棱镜710，使符合最小偏向角条件的单色光的入射光束和出射光束的夹角为90° ;
2、点燃氦氖灯110，调整会聚透镜1210和会聚透镜III212的位置，使氦氖灯110发出的光线射入狭缝510 ；
3、调整螺旋测微目镜810，使氦氖谱线的红光谱区调节至视场中央；
4、关闭氦氖灯110，点燃氢灯120，调整会聚透镜II211的位置，使氢灯120发出的光线射入狭缝510 ;调节螺旋测微目镜810使氢红线清晰，把螺旋测微目镜810的十字叉丝交点对准氢红线；
5、再次点燃氦氖灯110，依次记录氢红线左侧相邻的两条氦氖谱线位置、氢红线位置、氢红线谱线左侧相邻的三条氦氖谱线位置；测量谱线位置时使螺旋测微目镜810的鼓轮自左至右沿一个方向转动，消除空程差；
6、最后，通过最小二乘的曲线拟合方法，计算出待测氢原子光谱巴耳末系中可见光红谱线的波长。本发明的工作原理是
氢原子光谱的实验公式为
I r { I I、丨
i=Mn)⑴
式中，I为谱线波长，Rh实=10967758. 306 m—1为里德伯常数实验值。当氢原子中电子从高能级向低能级跃迁时，就发出光线。其满足玻尔光谱理论公式，
I me4 ( I I .) f I I s|
其中，m=9. IlXlO^kg为电子静止质量，e0=8. 85X IO^12FXm^1为真空电容率，h=6. 63X KT34JX s 为普朗克常数，c=3 X108mXs-1 为真空中光速，Rh理=10973731. 534 nT1 为里德伯常数的理论值。
在式(I)和式(2)中，不同的左对应不同的线系，不同的/ 对应同一线系中不同的谱线。本发明实验仪测定在可见光谱内巴耳末系的氢红线(对应左=2，/7=3)的波长。由于光谱线位置的测量值是相对的，所以必须用已知波长的谱线作为基准。本发明的基准是氦氖灯的五条红谱线，在螺旋测微目镜上观察，从左至右其波长分别为1^=667. 8276nm、12=659. 8953nm、ls=653. 2880nm、14=650. 6530nm、15=640. 2250nm ;待测氢红线(波长设为1H)的位置恰好位于I2和I3之间；
实验中利用螺旋测微目镜自左至右依次读出谱线I、12、1H、13、14、I5对应的位置yi、y2、yH、y3、y4、y5 ；
已知谱线位置y与波长I间满足如下关系，
权利要求
1.一种新型氢原子光谱实验仪，其特征在于由光束入射系统、平行光管系统、色散系统和接收系统四部分构成； 所述的光束入射系统为双光束入射系统，由两支相互垂直的光路构成，一支光路为主光轴光路，依次放置氦氖灯(110 )、会聚透镜I (210 )、分束镜(310 )、滤光片(410 )和会聚透镜III (212)，所述的分束镜(310)位于会聚透镜I (210)的焦平面上，另一支光路依次放置氢灯(120)、会聚透镜II (211)，会聚透镜II (211)与分束镜(310)间的距离为会聚透镜II (211)的焦距； 所述的氢灯(120)发出的光线经会聚透镜II (211)后照射在分束镜(310)上，经分束镜(310)反射后与所述的氦氖灯(110)发出的光线经分束镜(310)透射后汇合，再依次照射在滤光片(410)和会聚透镜III (212)上; 所述的平行光管系统包括狭缝(510)和准直镜(610)，狭缝(510)设置在会聚透镜III(212 )的出射光路上，准直镜(610)使从狭缝(510)透过的光线变成平行光，狭缝(510 )位 于会聚透镜III (212)的焦平面上； 所述的色散系统由恒偏向棱镜(710)构成，恒偏向棱镜(710)设置在准直镜(610)的出射光路上，恒偏向棱镜(710 )的设置位置使射入恒偏向棱镜(710 )的光束内的最小偏向角单色光的入射光束和出射光束的夹角为90° ; 所述的接收系统由出射物镜(213 )、读谱物镜(214 )和螺旋测微目镜(810 )构成，从恒偏向棱镜(710)射出的出射光束依次经过出射物镜(213)和读谱物镜(214)射在螺旋测微目镜(810)上，螺旋测微目镜(810)置于读谱物镜(214)的焦平面上。
2.如权利要求I所述的一种新型氢原子光谱实验仪，其特征在于所述的滤光片(410)的透过光波长范围为600nm-700nm。
3.如权利要求I所述的一种新型氢原子光谱实验仪的测量方法，其特征在于 步骤一、调节恒偏向棱镜(710)，使符合最小偏向角条件的单色光的入射光束和出射光束的夹角为90° ; 步骤二、点燃氦氖灯(110)，调整会聚透镜I (210)和会聚透镜III (212)的位置，使氦氖灯(I 10)发出的光线射入狭缝(510)； 步骤三、调整螺旋测微目镜(810)，使氦氖谱线的红光谱区调节至视场中央； 步骤四、关闭氦氖灯(110)，点燃氢灯(120)，调整会聚透镜II (211)的位置，使氢灯(110)发出的光线射入狭缝；调节螺旋测微目镜(810)使氢红线清晰，把螺旋测微目镜(810)的十字叉丝交点对准氢红线； 步骤五、再次点燃氦氖灯(110)，依次记录氢红线左侧相邻的两条氦氖谱线位置、氢红线位置、氢红线谱线左侧相邻的三条氦氖谱线位置；测量谱线位置时使螺旋测微目镜的鼓轮自左至右沿一个方向转动，消除空程差； 步骤六、最后，通过最小二乘的曲线拟合方法，计算出待测氢原子光谱巴耳末系中可见光红谱线的波长。
全文摘要
一种新型氢原子光谱实验仪和测量方法，本发明装置将单光束入射系统更改为双光束入射系统，克服了现有仪器在实验过程中需要多次换灯导致的安全隐患及效率低下的缺点。本发明装置可快速、高效实现对氢原子光谱的测定；具有原理简单、安全高效的优点。
文档编号G01J3/28GK102636264SQ20121012690
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者台玉萍, 尹更新, 张利平, 李新忠, 李立本, 王辉, 甄志强 申请人:河南科技大学