原子光譜與光譜技術

緒言
光譜學是物理學史上現代期的先導，在人類認識物質結構中發揮著重要的作用。
光譜學的發現可以追溯到十七世紀的牛頓，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，可以說是牛頓開創了光譜學的研究。正如著名物理學家斯托列托夫所說，牛頓的偉大實驗開辟了整個光譜學。以后的一百多年在光譜學的研究并沒有重大進展，直至十九世紀初才開始進一步研究，光譜的性質逐漸被人所認識，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。開始了光譜與物質組成的關系，確認各種物質都具有自己的特征譜線，從而開創了"光譜化學分析"這一學科領域。由于光譜分析對鑒定物質化學成份的巨大意義，導致了光譜研究的急驟發展和應用。很快地就有人把分光鏡用于天文觀測，立即得到了重大發現，知道天上的物質與地上一樣，而當時地上沒看到過的氦元素，則是先從太陽光譜中發現的，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作分析研究，主要是用光譜方法。20世紀初的物理學革命，是從光譜的實驗現象引發的。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建立的，著名的塞曼效應、拉曼效應等等，為量子力學理論和現代物理實驗技術的發展打下了豐厚而堅實的基礎。
光譜學識一門歷史悠久、古老的學科，又是一門充滿生機和活力的學科。它的創造性進展和應用仍然日新月異，尤其是近30多年來，激光和計算機技術的成就，使光譜學和光譜技術出現了全新的面貌，得到了越來越廣泛的應用。
本單元實驗由塞曼效應、氫氘光譜實驗、喇曼光譜實驗組成，這些實驗在物理學的發展史上起過重要里程碑的作用，為人類認識物質的微觀結構及其他眾多學科的發展提供了必要的理論基礎和實驗方法。學習這些實驗的目的，是為了學習和研究光譜技術和原子結構的基本原理、實驗方法、分析方法及其在多學科領域的應用。
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塞曼效應
塞曼效應是物理學史上一個著名的實驗。荷蘭物理學家塞曼(Zeeman)在1896年發現把產生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發光體，使光譜發生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現象稱為塞曼效應。
塞曼效應是法拉第磁致旋光效應之后發現的又一個磁光效應。這個現象的發現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。
塞曼效應另一引人注目的發現是由譜線的變化來確定離子的荷質比的大小、符號。根據洛侖茲(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比。由塞曼效應和洛侖茲的電子論計算得到的這個結果極為重要，因為它發表在J、J湯姆遜(J、J Thomson) 宣布電子發現之前幾個月，J、J湯姆遜正是借助于塞曼效應由洛侖茲理論算得的荷質比，與他自己所測得的陰極射線的荷質比進行比較具有相同的數量級，從而得到確實的證據，證明電子的存在。
塞曼效應被譽為繼X射線之后物理學最重要的發現之一。
1902年塞曼與洛侖茲因這一發現共同獲得了諾貝爾物理學獎。至今，塞曼效應依然是研究原子內部能級結構的重要方法。
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比e/m。
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氫氘光譜
原子光譜是研究原子結構的一種重要方法。1885年，巴爾末（J.J.Balmer）根據人們的觀測數據，發現了氫光譜的規律，提出了著名的氫光譜線的經驗公式。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，對原子物理學和量子力學的發展起了重要作用。1932年尤里（H.C.Urey）根據里德堡常數隨原子和質量不同而變化的規律，對重氫賴曼線系進行攝譜分析，發現氫的同位素--氘的存在。
同位素是英國人索迪于1911年開始使用的。1919年英國物理學家阿斯頓（F. W. Aston）制成了用來分離不同質量并測定粒子質量的粒子質譜儀，把研究同位素的方法提高了一大步。
在譜線上，同位素對應的譜線會發生移位，稱同位素移位。移位大小與核質量有關：核質量越輕，移位效應越大，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、里德伯常數和氫氘質量比的測定，加深對氫光譜規律和同位素位移的認識，了解攝譜儀的結構及使用。