原子發(fā)射光譜

1、中國(guó)石油大學(xué) 原子發(fā)射光譜 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 成 績(jī)： 班級(jí)： 物理1302 姓名： 尹昊 同組者： 張棟、姜順 教師： 周偉原子發(fā)射光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 了解光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)、原理。2. 了解光電倍增管處理系統(tǒng)和CCD處理系統(tǒng)在光譜測(cè)量中的應(yīng)用。3. 研究鈉原子光譜、氫氘光譜、汞光譜燈的光譜特性?！緦?shí)驗(yàn)原理】光譜儀是能將白光按不同波長(zhǎng)分成單色光譜的光學(xué)儀器，它由準(zhǔn)直系統(tǒng)，色散系統(tǒng)和聚焦成像系統(tǒng)組成。準(zhǔn)光系統(tǒng)通常由入射狹縫和準(zhǔn)直物鏡組成。入射狹縫位于準(zhǔn)直物鏡的焦平面上。對(duì)于光譜儀來(lái)說(shuō)，入射狹縫實(shí)際上是光譜儀的光源，待測(cè)信號(hào)光經(jīng)照明系統(tǒng)照射入射狹縫，入射狹縫發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡后成為平行光投射到色

2、散系統(tǒng)。色散元件通常為棱鏡，光柵和法布里-珀羅干涉儀。本儀器的色散元件為光柵，所以稱作光柵光譜儀。聚焦成像系統(tǒng)是利用成象物鏡把經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)后，在空間上色散開(kāi)的各波長(zhǎng)的光束會(huì)聚或成象在成象物鏡的焦平面上。形成一系列的按波長(zhǎng)排列的單色狹縫像，即通常所看到的光譜圖。 光學(xué)系統(tǒng)采用的是切爾尼-特納裝置（C-T）型，如圖1所示。圖1 切爾尼-特納光路圖準(zhǔn)直和成像的焦距是500nm，相對(duì)孔徑1/7，光柵條數(shù)分別為2400l/mm和1200l/mm，閃耀波長(zhǎng)為250nm。波長(zhǎng)掃描機(jī)構(gòu)是圖2所示的正弦機(jī)構(gòu)。B¦NPGOxl圖2 正弦機(jī)構(gòu)原理由計(jì)算機(jī)對(duì)光譜儀進(jìn)行掃描控制、信號(hào)處理和光譜顯示。其工作原理

3、如圖3所示。光電信號(hào)前置放大器 放大的光電信號(hào)增益控制信號(hào)系統(tǒng)控制信號(hào)光譜數(shù)字信號(hào)/變換/變換步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào) 負(fù)高壓控制信號(hào)負(fù)高 壓電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源負(fù)高壓2131電子計(jì)算機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖圖3光譜儀的工作原理光譜儀的探測(cè)器為光電倍增管或CCD，用光電倍增管時(shí)，出射光通過(guò)狹縫S2到達(dá)光電倍增管。用CCD做探測(cè)器時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)小平面反射鏡M1，使出射光通過(guò)狹縫S3到達(dá)CCD，CCD可以同時(shí)探測(cè)某一個(gè)光譜范圍內(nèi)的光譜信號(hào)。光信號(hào)經(jīng)過(guò)倍增管（或CCD）變?yōu)殡娦盘?hào)后，首先經(jīng)過(guò)前置放大器放大，再經(jīng)過(guò)A/D變換，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，最終由計(jì)算機(jī)處理顯示。前置放大器的增益、光電倍增管的負(fù)高壓和CCD的積分時(shí)

4、間可以由控制軟件根據(jù)需要設(shè)置。前置放大器的增益現(xiàn)為1，2，7七個(gè)檔次，數(shù)越大放大器的增益越高。光電倍增管的負(fù)高壓也分為1，2，7七個(gè)檔次，數(shù)越大所加的負(fù)高壓越高，每檔之間負(fù)高壓相差約200V。CCD的積分時(shí)間可以在10ms40s之間任意改變。【實(shí)驗(yàn)裝置】光譜儀【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】所謂發(fā)射光譜就是物質(zhì)在高溫狀態(tài)或因受到帶電粒子的撞擊而激發(fā)后直接發(fā)出的光譜。由于受激時(shí)物質(zhì)所處的狀態(tài)不同，發(fā)射光譜有不同的形狀，在原子狀態(tài)中為明線光譜，如鈉燈、汞、氫氘燈等。在分子狀態(tài)中為帶光譜，如氮放電燈；在熾熱的固態(tài)、液態(tài)或高壓主氣體中為連續(xù)光譜，如鎢燈、氘燈等。由于不同的元素的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)各不相同，每種元素的光譜也猶如人

5、的指紋一樣具有自己的特征。特別是一種元素都有被稱為“住留譜線”（RU線）特征譜線，如果試樣的光譜中出現(xiàn)了某種元素的“住留譜線”，就是說(shuō)試樣中含有該元素。1鈉光譜實(shí)驗(yàn) 11實(shí)驗(yàn)原理：鈉原子由一個(gè)完整而穩(wěn)固的原子實(shí)和它外面的一個(gè)價(jià)電子組成。原子的化學(xué)性質(zhì)以及光譜規(guī)律主要決定于價(jià)電子。與氫原子光譜規(guī)律相仿，鈉原子光譜線的波數(shù)可以表示為兩項(xiàng)差=- （2）其中 為有效量子數(shù)，當(dāng) 無(wú)限大時(shí)， ,為線系限的波數(shù)。鈉原子光譜項(xiàng)T=它與氫原子光譜項(xiàng)的差別在于有效量子數(shù)不是整數(shù)，而是主量子數(shù)n減去一個(gè)數(shù)值，即量子修正，稱為量子缺，量子缺是由原子實(shí)的極化和價(jià)電子在原子實(shí)中的貫穿引起的，堿金屬原子的各個(gè)內(nèi)殼層均被子電

6、子占滿，剩下的一個(gè)電子在最外層軌道上，此電子稱為價(jià)電子，價(jià)電子與原子的結(jié)合較為松散，與原子核的距離比其他內(nèi)殼層電子遠(yuǎn)得多，因此可以把除價(jià)電子之外的所有電子和原子核看作一個(gè)核心，稱為原子實(shí)。由于價(jià)電子電場(chǎng)的作用，原子實(shí)中帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子的中心會(huì)發(fā)生微小的相對(duì)位移，于是負(fù)電荷的中心不再在原子核上，形成一個(gè)電偶極子。極化產(chǎn)生的電偶極子的電場(chǎng)作用于價(jià)電子，使它受到吸引力而引起能量降低。同時(shí)當(dāng)價(jià)電子的部分軌道穿入原子實(shí)內(nèi)部時(shí)，電子也將受到原子產(chǎn)的附加引力，降低了勢(shì)能，此即軌道貫穿現(xiàn)象。原子能量的這兩項(xiàng)修正都與價(jià)電子的角動(dòng)量有關(guān)，角量子數(shù)l越小，橢圓軌道的偏心率就越大，軌道貫穿和原子實(shí)極化越顯

7、著，原子能量也越低。因此，價(jià)電子越靠近原子實(shí)，即n越小、l越小時(shí)，量子缺越大（當(dāng)n較小時(shí)，量子缺主要決定于l，實(shí)驗(yàn)中近似認(rèn)為與n 無(wú)關(guān)）。鈉原子光譜一般可以觀察到四個(gè)譜線系。主線系：相應(yīng)于3s-np躍遷，n=3，4，5.主線系的譜線比較強(qiáng)，在可見(jiàn)光區(qū)只有一條譜線，波長(zhǎng)約為589.3 nm，其余皆在紫外區(qū)。由于自吸收的結(jié)果，所得鈉黃線實(shí)際為吸收譜線。銳線系：相當(dāng)于3s-np躍遷，n=3，4，5.其第一條譜線波長(zhǎng)為818.9 nm，其余皆在可見(jiàn)區(qū)域。銳張系強(qiáng)度較弱，但譜線邊緣較清晰。漫線系：相當(dāng)于3s-np躍遷，n=3，4，5.漫線系的譜線較粗且邊緣模糊，第一條譜線在紅外區(qū)，波長(zhǎng)約為1139.3

8、nm，其余皆在可見(jiàn)光區(qū)?；€系: 3s-np躍遷，n=3，4，5.其譜線強(qiáng)度很弱，皆在紅外區(qū)。鈉原子光譜系有精細(xì)結(jié)構(gòu)，其中主線系和銳線系是雙線結(jié)構(gòu)，漫線系和基線系是三線結(jié)構(gòu)。各譜線系的波數(shù)公式為:主線系: (n3)銳線系: (n4)漫線系: (n3)基線系: (n4) （3）其中 , , , 的下標(biāo)分別表示角量子數(shù)l=0，1，2，3，R為里德伯常量。12 實(shí)驗(yàn)方法：(1)實(shí)驗(yàn)儀器：WGD-8A 多功能光柵光譜儀(2)光源：鈉光燈(3)按使用說(shuō)明書(shū)及操作程序繪出鈉光譜圖并檢出其波長(zhǎng)值。附: 8A型多功能光柵光譜儀對(duì)鈉光譜的實(shí)測(cè)譜線對(duì) 圖6鈉光譜主線系1、主線系（P）3Snp n=3，4，5A：n

9、=3 3S3p 5890 A° 5896 A°B：n=4 3S4p 3302 A° 3303 A°C：n=5 3S5p 2852.8 A° 2853 A°2、漫線系（D） 3p-nD n=3，4，5A：n=3 3p-3D 8183 A° 8195 A°B：n=4 3p-4D 5682A° 5688A°3、銳線系（S） 3p- nS n=4，5，6 A：n=4 3p-4S 11383 A° 11404A°B：n=5 3p-5S 6154A° 6160A°C：

10、n=6 3p-6S 5149 A° 5153.7 A°4、基線系 3D-nF n=4，5，6 圖7 鈉原子能級(jí)圖（4）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河赦c原子光譜確定各光譜項(xiàng)值及能級(jí)值, 量子缺。1) 光譜項(xiàng)值的確定由測(cè)得的同一線系各光譜線的波數(shù)定出該線系的各光譜項(xiàng)T及線系限 ，同一線系的相鄰譜線的波數(shù)分別為 （4） （5）相鄰譜線的波數(shù)差 （6）按上式可由相鄰的波數(shù)差求得 , 由此可求出各光譜項(xiàng)： （7）的值。由： （8）又可求出各線系的值。由式（6）直接解出值比較繁,一般利用插值表。它是由 及 的數(shù)值制出的.表中給出了由1.00至10.98每隔0.02所對(duì)應(yīng)的與T(n) 值。已知 也可查出對(duì)

11、應(yīng)的 及T(n)值。如果所得的值不恰好與表中數(shù)據(jù)符合，可由附近的兩個(gè)值用線性插值法求出所測(cè)的與T(n)值。2) 由光譜項(xiàng)確定能級(jí)基態(tài)能級(jí)為 （9）其它各激發(fā)態(tài)能級(jí) （10）因此，由主線系、銳線系、 漫線系、基線系可以分別寫(xiě)np態(tài)、 ns態(tài)、nd態(tài)和 nf態(tài)各能級(jí)。3) 確定主量子數(shù)和量子缺在每一線系，計(jì)算相鄰兩條譜線的波數(shù)差，由里德伯插值表求出相應(yīng)的m和a，再由求出量子缺和?；蛘哂蓺湓釉谳^高能級(jí)(n大)時(shí)，鈉原子與氫原子的能量相等，定出 再由及求出，。（5）數(shù)據(jù)處理以圖6給出的主線系的譜線為例：1） 計(jì)算光譜項(xiàng)值：將此值代入（5）式，其中 解此一元四次方程，得：由式（6）得：由式（7）：2）

12、確定能級(jí) A：基態(tài)能級(jí)：由（8）式得： E=-=-41466.00×6.63××3.00×=-8.24evB:n=3激發(fā)態(tài)： =-6.63××3.00×（16969.00-41466.00） =4.87ev4) 計(jì)算量子缺（鈉原子3p能級(jí)）：3-2.117=0.883同理：可計(jì)算每一線系中相鄰兩條譜線的波數(shù)差，求出相應(yīng)的與T（n）值，參考附表。如不解一元四次方程，也可用下述方法找出，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。例如，由實(shí)驗(yàn)(圖6)測(cè)得主線系3s3p雙線的平均波長(zhǎng)=589.31nm，波數(shù)，3s4p的雙線平均波 長(zhǎng)330.26nm波數(shù),這

13、兩相鄰譜線的波數(shù)差為。查里德伯表（見(jiàn)附表），在表中介于13143.31與13464.67之間。13143.31的左側(cè)為24416.45，對(duì)應(yīng)于m=2，a=0.12，顯然這就是3p的光譜項(xiàng)值，即,有效量子數(shù)=2.12，13143.31的右側(cè)為11273.14，對(duì)應(yīng)于m=3，a=0.12，,有效量子數(shù),13143.31為與兩光譜項(xiàng)之差。同理，13143.31左側(cè)為24883.74，對(duì)應(yīng)的有效量子數(shù)，右側(cè)為11419.07,對(duì)應(yīng)的有效量子數(shù), 13464.67為與兩光譜之差，因此，設(shè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波數(shù)差13310.17為與兩光譜項(xiàng)之差, 則介于2.10于2.12之間，介于3.10與3.12之間，差別僅在

14、于小數(shù)部分。利用線性插值法，得因此，即由 可求得鈉原子3p能級(jí)的量子缺。附:褚圣麟1979年編寫(xiě)的原子物理學(xué)中的鈉的光譜項(xiàng)值和有效量子數(shù)供參考數(shù)據(jù)來(lái)源電子態(tài)n=345678銳線系s, l =0T41444.915706.58245.85073.73434.92481.91.35n*1.6272.6433.6484.6515.6526.649主線系p, l =1T24492.711181.96408.94152.92908.92150.70.86n*2.1173.1334.1385.1416.1427.143漫線系d, l =2T12274.42897.54411.63059.822451720

15、.10.01n*2.9903.9894.9875.9896.9917.987基線系f, l =3T6858.64388.63039.722311708.20.00n*4.0005.0016.0087.0128.0152氫氘實(shí)驗(yàn)21原理根據(jù)玻爾理論，氫原子的能級(jí)公式為：式中5稱為約化質(zhì)量，為電子質(zhì)量，M為原子核質(zhì)量，氫原子的M/等于1836.15。電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射的光子能量為兩能級(jí)間的能量差，如以波數(shù)表示，則上式為：式中稱為氫原子的里德伯常數(shù)，單位是，稱為光譜項(xiàng)，它與能級(jí)是對(duì)應(yīng)的。從可得氫原子各能級(jí)的能量：式中， 理論可知，從m3至n=2的躍遷，光子波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光區(qū)，其光譜符合規(guī)

16、律這就是1885年巴耳末發(fā)現(xiàn)并總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，稱為巴耳末系，氫原子的萊曼系位于紫外，其他線系均位于紅外。22實(shí)驗(yàn)儀器: WGD-8型多功能光柵光譜儀。23實(shí)驗(yàn)內(nèi)容: 按實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)即操作程序繪出氫氘譜線圖。圖8氫氘光譜圖9 氫氘光譜巴爾末線系的線，分辨率0.12nm 波長(zhǎng) H：656.2 486.13 434.047 410.174D：656.1 486.01 433.928 410.0622. 4實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 測(cè)定氫和氘的里德伯常數(shù)（RH=109677.6cm-1）1）第一種方法：作圖法依據(jù)公式： =1/l0 l0=lN l0真空中的波長(zhǎng)l 空氣中的波長(zhǎng)N 空氣的折射率，N=1.000280A.

17、 波長(zhǎng)變波數(shù)：=15233.1cm-1 =20564.9 cm-1 =23032.4 cm-1 =24373.3cm-1B. 當(dāng)=3.4.5.6.代入（1/4-1/）得：=5/36C. 以（1/4-）為橫坐標(biāo)，波數(shù)為縱坐標(biāo)作圖：測(cè)得：OA=-0.04，OB=4387.13 即：R=109678.25cm-1圖10作圖法測(cè)定里德伯常數(shù)-0.040.1389 0.185 0.21 0.222B4387.1315233.124373.3A01/4-1/n2 1） 第二種方法：線性擬合求R根據(jù) (m=3、4、5、6)用線性擬和求出和RD已測(cè)知： 設(shè)： m=3時(shí)，； m=4時(shí)，； m=5時(shí)，； m=6時(shí)，設(shè)擬合方程為： y=A+Bx 其中 y= 依據(jù)最小二乘法得： A= =20800.6254056.117代入解得： A=32.5053 B= 109850.41（）所以氫的里德伯常數(shù)=109850.41（）3) 求氘的里德伯常數(shù)：氫和氘的相應(yīng)波長(zhǎng)差為： 所以，由圖9及氫的里德伯常數(shù)為：；因此，109853.12237cm 3. 確定光譜燈的光譜特性（汞燈）用WGD-8型多功能光柵光譜儀，實(shí)測(cè)光譜圖如下： 圖11汞燈光譜圖12 汞原子能