物理實驗教學中心實驗07 氫原子光譜的同位素位移譜線系規律與原子結構有著內在的聯系，因此原子光譜是研究原子結構的重要方法。1885年，巴爾末總結了人們測量氫光譜的結果，發現了氫光譜規律，提出了著名的巴爾末公式。氫光譜規律的發現為玻爾理論的建立提供了堅實的實驗基礎，對原子物理和量子力學的發展起到了重要作用。20世紀初氫原子光譜，人們根據實驗預言氫有同位素，1919年質譜儀發明后，物理學家用質譜儀測得氫的原子量為1.00778，而化學家從各種化合物中測得氫的原子量為1.00799。 基于上述的細微差別，1931年Birge和（ ）認為氫中有兩個單位重氫（即氘），自然界中的含量比約為40001。他們還指出，用光譜方法觀察巴爾末線系光譜的伴線可以發現重氫。1932年Urey等人用3米凹面光柵拍攝了巴爾末線系光譜，確實在短波側觀察到了微弱的伴線。測量這些伴線的波長，與計算結果對比，在實驗誤差范圍內一致，從而證實了氘的存在。后來測定自然界中氘的含量只有0.0156%，不足五千分之一。實驗的目的是為了找到里德伯常數。實驗原理不同同位素光譜的差異稱為“同位素位移”。
一般來說，元素譜線同位素位移的定量關系很復雜。對于重核，中子數量的增加不僅使原子核的質量增加，而且原子核的半徑也發生改變，對同位素光譜產生影響。只有像氫原子這樣的體系，同位素位移才可以用簡單的公式計算出來。氫原子中只有一個電子，電子和原子核都圍繞二者的質量中心運動，原子核質量的變化導致等效質量的變化，從而改變里德伯常數的值，由此可以計算出同位素的大小。在可見光區，氫的光譜可以用巴耳末經驗公式來表示，即由玻爾理論或量子力學即現代物理實驗導出的類氫離子光譜規律。 為元素A的理論里德伯常數，為電子的質量和電荷，為真空介電常數，c為真空中的光速，為普朗克常數，為原子核的質量。顯然，相差很小，那時的里德伯常數就不同了。結果的譜線相對于的譜線會發生微小的偏移氫原子光譜，即同位素偏移。通過精確測量氫原子核的質量（也就是質子的質量），實驗內容將譜儀系統切換到“光電倍增管”檔位，啟動“型光電倍增管”軟件系統。校準譜儀現代物理實驗物理實驗教學中心以汞光譜為標準光譜校準光柵譜儀。測量氫氘光譜，將汞燈更換為氫氘燈，重復步驟1）、2）、3）。 需要注意的是，由于氫氘同位素位移很小，應適當減小入射狹縫和出射狹縫的寬度，適當提高光電倍增管的高壓和增益。
重新掃描氫-氘光譜，找到峰值并記錄氫-氘譜線的波長，氫的巴耳末線系列的波長如表2所示。 汞光譜標準波長 顏色 波長nm404.66407.80435.84491.60546.96576.07579.07623.40 波長nm656.....007 譜線符號 波長nm388.....015 儀器介紹 組合式多功能光柵光譜儀由光柵單色儀、電箱（含接收單元、電子放大器、采集單元）、計算機等組成，系統組成如圖1所示。 系統組成圖 現代物理實驗 物理實驗教學中心 光柵光譜儀的光學原理如圖2所示，入射狹縫和出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍為0～2mm。 平行光束經反射變成平行光束，投射到平面光柵G上，衍射的平行光束經過物鏡閃耀光柵。光柵光譜儀采用反射式閃耀光柵，如圖3所示。現考慮從相鄰刻線對應點反射回來的光。PQ和是以一定角度入射的兩束光線。QR和QR為相鄰刻線間的距離，稱為光柵常數。當光程差滿足光柵方程d時，光強有極大值，否則會出現明亮的譜線。sin相同，據此可確定衍射光的波長，這就是光柵光譜測量的原理。閃耀光柵把同一波長的衍射光集中到特定的水平。組合式多功能光柵光譜儀的掃描范圍為200~660nm。
組合式多功能光柵光譜儀的詳細使用方法請參考儀器說明書。 注意：狹縫寬度范圍0-2mm，不使用時，狹縫應開至約0.1-0.15mm。實驗過程中實驗室盡量保持黑暗。 思考問題：調節組合式多功能光柵光譜儀時，如何提高光譜的分辨率？ 現代物理實驗 物理實驗教學中心擴展與設計 測量不同光源（如白熾燈、溴鎢燈、鈉燈等）的發射光譜，比較不同入射狹縫和出射狹縫尺寸對譜線的影響。
