中国石油大学   近代物理实验    实验报告    成  绩：             

班级：         姓名：    Tom   同组者：  Jerry     教师:   simida                                           

 

氢原子光谱与里德伯常数的测定

【实验目的】

1、通过测量氢光谱在可见光区域的谱线的波长，验证巴耳末系规律的正确性。

2、测定氢的里德堡常数，对近代测量精确度有初步了解。

【实验原理】

从氢气放电管，可以获得氢原子光谱的谱线，人们很早便发现氢原子光谱在可见光区域及不可见光区域都有很多谱线，构成一个有规律的系统，谱线的波长及长度都随着波长的减小而减小。氢原子光谱在可见光区域有四条谱线，分别为H_α、H_β、H_γ、H_δ。

      1885年，巴尔末利用经验性规律归纳出了一个简单关系：

                             n=3,4,5…             （3-1-1）

  式中B=364.56 nm。由上式计算所得的波长数值同测得的数值是一致的。所以，一般常称（3-1-1）式为巴尔末公式，称这些谱线为巴尔末线系。

为了可以更清楚的表明氢原子光谱的分布规律，1889年瑞典物理学家李德宝把（3-1-1）式子改写为          

             n=3,4,5…     （3-1-2）

式中的常数R_H=4/B?称为里德堡常数。在这两个完全从实验数据得到的经验公式的基础上，丹麦的物理学家波尔对原子的概念模型提出两条基本假设；①一个原子系统内 当电子在某一特特定轨道上运行时，原子将不向外辐射能量，这些轨道就是电子保持能量不变的“定态”轨道。②当电子从一个定态轨道过渡到另一个轨道时，将发生电磁辐射，其频率完全由这两个定态轨道间的能量差来决定。能量差和频率的比值，就是普朗克常数，即hv=E₂-E₁。根据波尔的假设，可以得出每一条光谱线对应于氢原子中的一个电子从一个能级跃迁到另一个能级释放出的能量。所以对应于可见光区巴尔末线系的波尔氢原子理论公式为： 

                                    （3-1-3）

在上一个式中e为电子电荷，h为普朗克常数，c为光速，m为电子质量，M_H为氢原子核的质量。由上式可以看出，不仅给予巴尔末公式以物理解释，而且把里德堡常数和许多物理量联系起来。

我们利用数学知识，将（3-1-3）式与（3-1-2）式联立一下，可以解出里德堡常数的精确数值

                                           （3-1-4）

任意一个原子A的里德堡常数表示为

                                            （3-1-5）

 所以，对于不同的原子，其对应计算得到的里德堡常数也不同，把原子外推到，且=0这个时候，里德堡常数为

                                            （3-1-6）

我们比较上序三个式子，得到R∞与任意给定原子的里德堡常数有以下关系

                                       （3-1-7）

比较（3-1-2）、（3-1-3）、（3-1-4）式，可认为（3-1-2）式是从波尔理论推论所得到的关 系，因此（3-1-2）式和实验结果符合到什么程度就可以检验波尔理论正确到什么程度。实验表明，（3-1-2）式和实验结果符合得很好，因此成为波尔理论的有力论据。

                             =（10967758.1±0.8）m^-1 

                             =（10973731.8±0.8）m^-1 

【实验装置】

WGD-8A型组合式光栅光谱仪；汞灯及汞灯电源；氢光源

【实验内容】

1、光谱仪的调节和波长示值的修正

 （1）调光谱仪的底脚螺钉，以保证光谱仪水平放置

  （2）以汞灯作为光源，校对光谱仪波长示值的准确度，并做修正。 校正时，首先调好狭缝S1和S2宽度，然后打开汞灯电源，打开光谱仪电控箱电源，调整光电倍增管工作电压约500V左右，启动WGD—8A光谱仪的控制软件（光电倍增管部分），待准备状态结束后，测量汞灯的能量谱。如果能量谱高度超出显示范围或太小，可适当改变狭缝S1和S2宽度，以及光电倍增管工作电压，或者调一下软件的增益大小使能量谱显示适中。 

（3）将计算机给出的汞的四条谱线的标称值与标准波长值（ 432.8 nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）对比，若出现偏差，则应将修正值输入计算机中。

2、关闭汞灯，将氢光源对准狭缝，仔细调节使两束光的交聚线恰好通过狭缝，然后启动WGD—8A光谱仪的控制软件（光电倍增管部分），对氢光源的光谱进行测量，得出氢光源的谱线。

【注意事项】

（1）  光源涉及高压，使用时必须按安全操作规程进行。

（2）  狭缝的调节必须小心，狭缝的宽度不得超过3mm，也不得完全闭合，以免损坏刀口。实验完毕后，应将缝宽调节到0.2mm左右。

（3）  测量时要保证仪器各参数（如狭缝宽度、光电倍增管工作电压等）不变。

（4）  光栅对环境条件要求较高，应保持室内清洁和较低的湿度。

【数据记录】

1、光谱仪的调节和波长示值的修正

                   表一 光谱仪波长示值修正数据表

2、氢光谱的测量

                       表二 实测氢原子光谱记录

【数据处理】

     1.作图

   表三 1/λ与能级的对应关系

   

          

                                            图1

     由图一可得，波长的倒数与1/呈线性。

     2.多次测量n=4时的谱线，得其对应的λ值为486.0nm，考虑到空气折射率1,00029，得真空中的波长，并代入（3-1-2）得，为10970755.4。与公认值比较，得相对不确定度为（10970755.4-10967758.1)/10967758.1*100%=0.027%。

       用（3-1-4）计算得10952755.2与实验值比较误差在允许的范围内，由此验证了玻尔理论的正确性。

   3.由（3-1-7）得，==10976729.9。与公认值比较，得相对不确定度为0.027%。所得实验误差很小，在误差允许的范围内。

【思考题】

1、    里德伯常数的精确测量有什么意义？

答：因为，所以可以通过里德堡常数的精确测量来确定其它基本物理常数的值。

2、光谱仪波长值的修正为什么要用汞灯？

答：因为汞灯发出的光只有四个光谱，光谱简单，易于校对光谱仪波长示值的准确度，并做修正。 

【实验总结】

本实验用组合式光栅光谱仪，用氢灯作为光谱仪的光源，发射出连续谱线。通过软件的处理，得到一组氢光谱在可见光区域的谱线。根据图像得到氢原子在可见光区域有四条光谱，并由此计算得到和的值，与标准值比较，得到误差在允许的范围内。实验比较简单，关键在于是氢光谱尽可能多的射入光谱仪。在实验中，会受到外界可见光的干扰，影响实验的准确性。

 

第二篇：中国石油大学实验报告样板

中国石油大学（课程名称）实验报告

实验日期： 成绩：

班级： 石油工程09-1班 学号： 09152115 姓名： 毕文姣 教师： 战永平 同组者： 毕文姣、陈为敏、曹溪、高雪娇、崔力晨、葛辉、耿红、王宇 实验名称

一、实验目的

（1）观察垂直井筒中出现的各种流型，掌握流型辨别方法；

（2）验证垂直井筒多相管流压力分布计算模型；

（3）了解自喷及气举采油的举升原理；实验目的内容。

表1 数据表

图1 变化曲线

二、实验原理

当油井的井口压力高于原油饱和压力时，井筒内流动着的是单相液体，当自喷井的井底压力低于饱和压力时，则整个油管内部都是气-流两相流动，油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失，只有当气液两相的流速很高时（如环雾流型），才考虑动能损失，在垂直井筒中，井底压力大部分消耗在克服液柱重力上，所以，总压降的通式为

三、实验流程

四、实验步骤

（1）检查自喷井模拟器的阀门开关状态，保证所有阀门都关闭，检查稳压罐的液位，如不足（稳压罐高度3/4）请打开稳压罐进液阀门，加液使稳压罐的液位保持在稳压罐高度3/4液位；

（2）打开气路阀门，保证气路通畅后打开空气压缩机，向管路供气。

（3）调整稳压罐定值器，保证稳压罐压力表压力不超过0.10MPa，打开稳压罐压力阀门，等待压力稳定后打开液路阀，向系统供液；

（4）此时系统已经开始同时供应液体和气体，待液面上升至井口时，可以改变气液阀门的相对大小，观察井筒中出现的各种流型，调节到所需流型，待流型稳定后开始测量；

（5）按下流体积算仪清零按钮，同时启动秒表计时，观察井底气体浮子流量计的示数，当计时到10秒时，记录井底流压，气体流量，液体累计流量和所用时间；

（6）改变不同的气液流量，重复步骤4到5记录数据，一般取5组段塞流和5组泡流数据点。

（7）试验结束，首先关闭液路，再关闭空气压缩机和总电源放空后再关闭面板所有阀门，最后清理实验装置，结束实验。

(2) 回答实验讲义提出的问题，

1) 简述实验原理以及自喷井和气举工作原理；2)简述各流型的特征；3) 对实验数据运用奥

奇斯泽斯基理论进行计算，并给出计算过程，然后对比实验所观察的现象来验证该理论。

（1）油层能量充足时，利用油层本身的能量就能将油举升到地面的方式称为自喷；气举采油是依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中的混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流入到井内的原油举升到地面的一种采油方式。

(2)泡流的特点：气体是分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱现象比较严重。段塞流，气体仍是分散相，液体是连续相，气泡呈炮弹状，油气间的相对运动要比泡流小，滑脱也小。环流特点，气液两相都是连续的，气体的举油作用主要是靠摩擦携带。雾流特点：气体是连续相，液体是分散相，气体以很高的速度携带液滴喷出井口，气液之间的相对运动速度很小，气相是整个流动的控制因素。