多功能光柵光譜儀的使用及實(shí)驗(yàn) -

1、 多功能光柵光譜儀的使用多功能光柵光譜儀的使用 - -氫（氘）、鈉原子發(fā)射光譜的研究氫（氘）、鈉原子發(fā)射光譜的研究 一、原理一、原理 WGD8A型組合式多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，計(jì)算機(jī)組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體。光學(xué)系統(tǒng)采用的是切爾尼-特納裝置（C-T）型，如圖所示。儀器設(shè)備光譜儀的工作原理圖光電信號(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 光譜儀的探測器為光電倍增管或CCD，用光

2、電倍增管時(shí)，出射光通過狹縫S2到達(dá)光電倍增管。用CCD做探測器時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)小平面反射鏡M1，使出射光通過狹縫S3到達(dá)CCD，CCD可以同時(shí)探測某一個(gè)光譜范圍內(nèi)的光譜信號(hào)。 光信號(hào)經(jīng)過倍增管（或CCD）變?yōu)殡娦盘?hào)后，首先經(jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過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)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10ms-40s之間任意改變。 掃描控

3、制是利用步進(jìn)電機(jī)控制正弦機(jī)構(gòu)（根據(jù)光柵方程，波長和光柵的轉(zhuǎn)角成正弦關(guān)系，因此采用正弦機(jī)構(gòu)。）中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使光柵轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。步進(jìn)電機(jī)在輸入一組電脈沖后，就可以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，相應(yīng)地絲杠上螺母就移動(dòng)一個(gè)固定的距離。每輸入一組脈沖，光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)便使出射狹縫出射的光波長改變0.1nm。BNPGOxl圖2-2 正弦機(jī)構(gòu)原理本儀器主要做發(fā)射光譜實(shí)驗(yàn)！ 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

4、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”，就是說試樣中含有該元素。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 （一）氫與氘原子光譜：巴爾末總結(jié)出的可見光區(qū)氫光譜線的規(guī)律為：22364.56nm4Hnn式中 為氫光譜線的波長，取3、4、5等整數(shù)。H若改用波數(shù)表示譜線，由于1則上式變?yōu)?22)121(109678cmn式中109678cm-1叫氫的里德伯常量。由玻爾理論或量子力學(xué)得出的類氫離子光譜規(guī)律為： )(1)(12221znznRAA上式的)1 ()4(232

5、042AAMmchmeR是元素A的理論里德伯常量，z是元素A的核電荷數(shù)，n1,n2為整數(shù)，m和e是電子的質(zhì)量和電荷，是真空介電常量，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的質(zhì)量。 顯然，RA隨A不同略有不同，當(dāng)MA時(shí)，便得到里德伯常量： 32042)4(2chmeR所以AAMmRR1應(yīng)用到H和D有：HHMmRR1DDMmRR1可見RD和RH是有差別的，其結(jié)果就是D的譜線相對(duì)于H的譜線會(huì)有微小位移，叫同位素位移。 DH,是能夠直接精確測量的量， DH,測出 也就可以計(jì)算出RH , RD和里德伯常量 ，R同時(shí)還可計(jì)算出D,H的原子核質(zhì)量比： )(HDHDHHHDMmMmMM1527.1836/

6、1HMm式中 是已知值。 注意，式中各 是指真空中的波長。 同一光波，在不同介質(zhì)中波長是不同的。 我們的測量往往是在空氣中進(jìn)行的，所以應(yīng)將空氣中的波長轉(zhuǎn)換成真空中的波長。但在實(shí)際測量當(dāng)中，受所用的實(shí)驗(yàn)儀器的精度限制，這種變化可以忽略不計(jì)。氫的特征譜氫的特征譜紫外部分： 賴曼系： 4 , 3 , 2),111(122nnRH可見光部分：巴爾末系： 5 , 4 , 3),121(122nnRH紅外部分： 帕邢系： 6 , 5 , 4),131(122nnRH布喇開系： 7 , 6 , 5),141(122nnRH蓬得系： 8 , 7 , 6),151(122nnRH漢弗萊斯系： 9 , 8 , 7

7、),161(122nnRH鈉光譜實(shí)驗(yàn)鈉光譜實(shí)驗(yàn) 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*nRn其中 為有效量子數(shù)，當(dāng) 無限大時(shí)， , 為線系限的波數(shù)*n*nn鈉原子光譜項(xiàng)T=*22()RRnn 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

8、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)。 n 由于價(jià)電子電場的作用，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) 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、 越小時(shí)，量子缺越大（當(dāng)n較小時(shí)，

9、量子缺主要決定于l，實(shí)驗(yàn)中近似認(rèn)為與n 無關(guān)）。ll電子由上能級(jí)（量子數(shù)為 ， nl）躍遷到下能級(jí)（ ln,） 發(fā)射的光譜線的波數(shù)由上式?jīng)Q定：22)()(llnRnR如果令 ln,固定，而 n依次改變（ l的選擇定則為 l=1 ），則得到一系列的 值， 它們構(gòu)成一個(gè)光譜線系。光譜中常用 ， ln,nl這種符號(hào)表示線系。 分別用S,P,D,F表示。鈉原子光譜有四個(gè)線系：0,1,2,3l 主線系（P線系）：3S-nP， n=3,4,5,；漫線系（D線系）：3P-nD, n=3,4,5,；銳線系（S線系）：3P-nS， n=4,5,6,；基線系（F線系）：3P-nF， n=4,5,6,； 在鈉原子光

10、譜的四個(gè)線系中，只有主線系的下級(jí)是基態(tài)（3S1/2能級(jí)），在光譜學(xué)中，稱主線系的第一組線（雙線）為共振線，鈉原子的共振線就是有名的黃雙線（589.0nm和589.6nm）。 鈉原子的其他三個(gè)線系，基線系在紅外區(qū)域，漫線系和銳線系除第一組譜線在紅外區(qū)域，其余都在可見區(qū)域。 主線系光譜是 ), 4 , 3(32/1 , 2/322/12nPnS之間躍遷產(chǎn)生的， 其中上能級(jí)是雙重的，下能級(jí)是單重的，因此，根據(jù)選擇定則，主線系是雙重結(jié)構(gòu)。其短波成分和長波成分的強(qiáng)度比是2：1。 2/32Pn2/12Pn2/123 SAB銳線系光譜是 )5 , 4(32/122/1 , 2/32nPnS之間躍遷產(chǎn)生的，

11、上能級(jí)是單重的，下能級(jí)是雙重的。根據(jù)選擇定則 ，銳線系是雙重結(jié)構(gòu)，且其短波成分和長波成分的強(qiáng)度比是1：2。 2/12Sn2/323 P2/123 PAB漫線系光譜是 ), 4 , 3(32/3 , 2/522/1 , 2/32nDnP之間躍遷產(chǎn)生的， 這時(shí)上、下能級(jí)都是雙重的。根據(jù)選擇定則，漫線系應(yīng)該有三條譜線，分別記為 ,但由于 相距很近，通常無法分開，兩個(gè)成分合二為一，其波長用 表示，稱為復(fù)雙線結(jié)構(gòu)。其短波成分和長波成分的強(qiáng)度比為1：2. ,ABC,BCBC 2/52Dn2/32Dn2/323 P2/123 PCBA二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.利用汞原子光譜校正光譜儀 檢查儀器，接通光譜

12、儀及電腦、打印機(jī)電源，將光譜儀電壓調(diào)到500V左右，使狹縫寬度小于0.10nm。接通汞燈電源，預(yù)熱3分鐘后測量?？蓽y光譜為365.01nm、365.46nm、366.32nm、404.66nm、404.98nm、435.83nm、546.07nm、576.89nm、579.07nm。 2.觀察鈉原子光譜并描繪測得的圖象 將光譜儀電壓調(diào)到500 V左右，可見的光譜為589.0nm、589.6nm。3.觀察氫氘原子光譜并描繪測得的圖象 ,利用測得的數(shù)據(jù)值計(jì)算里德伯常數(shù)。 將光譜儀電壓調(diào)到1000 V左右，可測的氫光譜為410.17nm、434.05nm、486.13nm、656.28nm。 計(jì)算氫原子的里德波常熟，并計(jì)算D，H的原子核質(zhì)量比。三、注意事項(xiàng)三、注意事項(xiàng) 1.光電倍增管不宜受強(qiáng)光照射（會(huì)引起