12.1.2同位素光谱——氘原子光谱赵龙宇PB06005068自然界中的许多元素都存在同位素，它们的原子核具有相同数量的质子，但中子数不同。反映在谱线上，同位素所对应的谱线发生位移，这种现象称为同位素移位。同位素移位的大小与核质量有密切关系，核质量越轻，移位效应越大。因此，氢同位素具有最大的同位素移位。1932年尤莱（Urey）根据里德伯常数随原子核质量变化的理论，用蒸发液氢的方法获得重氢含量较高的氢和重氢混合物，然后对其莱曼线系进行了摄谱分析，发现氢原子光谱中每条线都是双线。通过波长测量并与假定的重氢核质量所得的双线波长相比较，实验值与理论值符合得很好，从而确定了氢的同位素——氘（D）的存在。本实验以氘原子光谱为研究对象，研究获得同位素光谱的实验方法、分析方法及其在微观测量中的应用。实验原理1．原理根据玻尔理论，原子的能量是量子化的，即具有分立的能级。当电子从高能级跃迁到低能级时，原子释放出能量，并以电磁波形式辐射。氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波数为σ=2π2mee4Z2(4πε0)2h3c(1+memZ)(122−1n2)（1）其中mZ为原子核质量，me为电子质量，e为电子电荷，h为普朗克常数，ε0为真空介电常数，c为光速，Z为原子序数。因此类氢原子的里德伯常数可写成RZ=2π2mee4Z2(4πε0)2h3c⋅1(1+memZ)（2）若mZ→∞，即假定原子核不动，则有R∞=2π2mee4Z2(4πε0)2h3c（3）因此2RZ=R∞(1+memZ)（4）由此可见，RZ随原子核质量mZ变化，对于不同的元素或同一元素的不同同位素RZ值不同。mZ对RZ影像很小，因此氢和它的同位素的相应波数很接近，在光谱上形成很难分辨的双线或多线。设氢和氘的里德伯常数分别为RH和RD，氢、氘光谱线的波数σH、σD分别为σH=RH(122−1n2)n=3,4,5…（5）σD=RD(122−1n2)n=3,4,5…（6）氢和氘光谱相应的波长差为Δλ=λH−λD=λH(1−λDλH)=λH(1−σHσD)=λH(1−RHRD)（7）因此，通过实验测得氢和氘的巴耳末线系的前几条谱线的谱长及其波长差，可求得氢与氘的里德伯常数RH、RD。根据式（4）有RH=R∞/(1+memH)（8）RD=R∞/(1+memD)（9）其中mH和mD分别为氢和氘原子核的质量。式（8）除以式（9），得RDRH=1+me/mH1+me/mD（10）从式（10）可解出mDmHmDmH=(RDRH)1−mHme(RDRH−1)（11）3式中mHme为氢原子核质量与电子质量比，公认值为1836.1515。因此将通过实验测得的RDRH代入式（11），可求得氘与氢原子核的质量比mD/mH。从前面的讨论中可以看到，光谱测量得到的数据往往有较多的...
