物理实验教学中心实验07 氢原子光谱的同位素位移谱线系规律与原子结构有着内在的联系，因此原子光谱是研究原子结构的重要方法。1885年，巴尔末总结了人们测量氢光谱的结果，发现了氢光谱规律，提出了著名的巴尔末公式。氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理和量子力学的发展起到了重要作用。20世纪初氢原子光谱，人们根据实验预言氢有同位素，1919年质谱仪发明后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家从各种化合物中测得氢的原子量为1.00799。 基于上述的细微差别，1931年Birge和（ ）认为氢中有两个单位重氢（即氘），自然界中的含量比约为40001。他们还指出，用光谱方法观察巴尔末线系光谱的伴线可以发现重氢。1932年Urey等人用3米凹面光栅拍摄了巴尔末线系光谱，确实在短波侧观察到了微弱的伴线。测量这些伴线的波长，与计算结果对比，在实验误差范围内一致，从而证实了氘的存在。后来测定自然界中氘的含量只有0.0156%，不足五千分之一。实验的目的是为了找到里德伯常数。实验原理不同同位素光谱的差异称为“同位素位移”。
一般来说，元素谱线同位素位移的定量关系很复杂。对于重核，中子数量的增加不仅使原子核的质量增加，而且原子核的半径也发生改变，对同位素光谱产生影响。只有像氢原子这样的体系，同位素位移才可以用简单的公式计算出来。氢原子中只有一个电子，电子和原子核都围绕二者的质量中心运动，原子核质量的变化导致等效质量的变化，从而改变里德伯常数的值，由此可以计算出同位素的大小。在可见光区，氢的光谱可以用巴耳末经验公式来表示，即由玻尔理论或量子力学即现代物理实验导出的类氢离子光谱规律。 为元素A的理论里德伯常数，为电子的质量和电荷，为真空介电常数，c为真空中的光速，为普朗克常数，为原子核的质量。显然，相差很小，那时的里德伯常数就不同了。结果的谱线相对于的谱线会发生微小的偏移氢原子光谱，即同位素偏移。通过精确测量氢原子核的质量（也就是质子的质量），实验内容将谱仪系统切换到“光电倍增管”档位，启动“型光电倍增管”软件系统。校准谱仪现代物理实验物理实验教学中心以汞光谱为标准光谱校准光栅谱仪。测量氢氘光谱，将汞灯更换为氢氘灯，重复步骤1）、2）、3）。 需要注意的是，由于氢氘同位素位移很小，应适当减小入射狭缝和出射狭缝的宽度，适当提高光电倍增管的高压和增益。
重新扫描氢-氘光谱，找到峰值并记录氢-氘谱线的波长，氢的巴耳末线系列的波长如表2所示。 汞光谱标准波长 颜色 波长nm404.66407.80435.84491.60546.96576.07579.07623.40 波长nm656.....007 谱线符号 波长nm388.....015 仪器介绍 组合式多功能光栅光谱仪由光栅单色仪、电箱（含接收单元、电子放大器、采集单元）、计算机等组成，系统组成如图1所示。 系统组成图 现代物理实验 物理实验教学中心 光栅光谱仪的光学原理如图2所示，入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽度范围为0～2mm。 平行光束经反射变成平行光束，投射到平面光栅G上，衍射的平行光束经过物镜闪耀光栅。光栅光谱仪采用反射式闪耀光栅，如图3所示。现考虑从相邻刻线对应点反射回来的光。PQ和是以一定角度入射的两束光线。QR和QR为相邻刻线间的距离，称为光栅常数。当光程差满足光栅方程d时，光强有极大值，否则会出现明亮的谱线。sin相同，据此可确定衍射光的波长，这就是光栅光谱测量的原理。闪耀光栅把同一波长的衍射光集中到特定的水平。组合式多功能光栅光谱仪的扫描范围为200~660nm。
组合式多功能光栅光谱仪的详细使用方法请参考仪器说明书。 注意：狭缝宽度范围0-2mm，不使用时，狭缝应开至约0.1-0.15mm。实验过程中实验室尽量保持黑暗。 思考问题：调节组合式多功能光栅光谱仪时，如何提高光谱的分辨率？ 现代物理实验 物理实验教学中心扩展与设计 测量不同光源（如白炽灯、溴钨灯、钠灯等）的发射光谱，比较不同入射狭缝和出射狭缝尺寸对谱线的影响。
