多功能光柵光譜儀

1、多功能光柵光譜儀第1頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二一、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，計算機組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機械、電子學(xué)、計算機技術(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)備第2頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二第3頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二光譜儀的工作原理圖光電信號前置放大器 放大的光電信號增益控制信號系統(tǒng)控制信號光譜數(shù)字信號/變換/變換步進電機控制信號 負高壓控制信號負高 壓電源步進電機驅(qū)動電源負高

2、壓2131電子計算機步進電機驅(qū)動脈沖第4頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二 光譜儀的探測器為光電倍增管或CCD，用光電倍增管時，出射光通過狹縫S2到達光電倍增管。用CCD做探測器時，轉(zhuǎn)動小平面反射鏡M1，使出射光通過狹縫S3到達CCD，CCD可以同時探測某一個光譜范圍內(nèi)的光譜信號。 光信號經(jīng)過倍增管（或CCD）變?yōu)殡娦盘柡?，首先?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，最終由計算機處理顯示。前置放大器的增益、光電倍增管的負高壓和CCD的積分時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1，2，7七個檔次，數(shù)越大放大器的增益越高。光電倍增管的負高壓

3、也分為1，2，7七個檔次，數(shù)越大所加的負高壓越高，每檔之間負高壓相差約200V。CCD的積分時間可以在10ms-40s之間任意改變。 第5頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二 掃描控制是利用步進電機控制正弦機構(gòu)（根據(jù)光柵方程，波長和光柵的轉(zhuǎn)角成正弦關(guān)系，因此采用正弦機構(gòu)。）中絲杠的轉(zhuǎn)動，進而使光柵轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的。步進電機在輸入一組電脈沖后，就可以轉(zhuǎn)動一個角度，相應(yīng)地絲杠上螺母就移動一個固定的距離。每輸入一組脈沖，光柵的轉(zhuǎn)動便使出射狹縫出射的光波長改變0.1nm。BNPGOxl圖2-2 正弦機構(gòu)原理第6頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二本儀器主要做發(fā)射光

4、譜實驗！ 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。第7頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二實驗原理 （一）氫與氘原子光譜：巴爾末總結(jié)出的

5、可見光區(qū)氫光譜線的規(guī)律為：式中 為氫光譜線的波長，取3、4、5等整數(shù)。若改用波數(shù)表示譜線，由于則上式變?yōu)槭街?09678cm-1叫氫的里德伯常量。第8頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二由玻爾理論或量子力學(xué)得出的類氫離子光譜規(guī)律為： 上式的是元素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，0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。 第9頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二顯然，RA隨A不同略有不同，當(dāng)MA時，便得到里德伯常量： 所以應(yīng)用到H和D有：可見RD和RH是有差別的，其結(jié)果就是

6、D的譜線相對于H的譜線會有微小位移，叫同位素位移。 第10頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二是能夠直接精確測量的量， 測出 也就可以計算出RH , RD和里德伯常量 ，同時還可計算出D,H的原子核質(zhì)量比： 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。但在實際測量當(dāng)中，受所用的實驗儀器的精度限制，這種變化可以忽略不計。第11頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二氫的特征譜紫外部分： 賴曼系： 可見光部分：巴爾末系： 紅外部分： 帕邢系：

7、 布喇開系： 蓬得系： 漢弗萊斯系： 第12頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二鈉光譜實驗 鈉原子由一個完整而穩(wěn)固的原子實和它外面的一個價電子組成。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)可以表示為兩項差其中 為有效量子數(shù)，當(dāng) 無限大時， , 為線系限的波數(shù)第13頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二鈉原子光譜項T= 它與氫原子光譜項的差別在于有效量子數(shù) 不是整數(shù)，而是主量子數(shù)n減去一個數(shù)值，即量子修正，稱為量子缺。量子缺是由原子實的極化和價電子在原子實中的貫穿引起的。 堿金屬原子的各個內(nèi)殼層均被子電子占滿

8、，剩下的一個電子在最外層軌道上，此電子稱為價電子，價電子與原子的結(jié)合較為松散，與原子核的距離比其他內(nèi)殼層電子遠得多，因此可以把除價電子之外的所有電子和原子核看作一個核心，稱為原子實。 第14頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二 由于價電子電場的作用，原子實中帶正電的原子核和帶負電的電子的中心會發(fā)生微小的相對位移，于是負電荷的中心不再在原子核上，形成一個電偶極子。極化產(chǎn)生的電偶極子的電場作用于價電子，使它受到吸引力而引起能量降低。同時當(dāng)價電子的部分軌道穿入原子實內(nèi)部時，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。 原子能量的這兩項修正都與價電子的角動量有關(guān)，

9、角量子數(shù) 越小，橢圓軌道的偏心率就越大，軌道貫穿和原子實極化越顯著，原子能量也越低。因此，價電子越靠近原子實，即n越小、 越小時，量子缺越大（當(dāng)n較小時，量子缺主要決定于l，實驗中近似認為與n 無關(guān)）。第15頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二電子由上能級（量子數(shù)為 ， ）躍遷到下能級（ ） 發(fā)射的光譜線的波數(shù)由上式?jīng)Q定：如果令 固定，而 依次改變（ 的選擇定則為 =1 ），則得到一系列的 值， 它們構(gòu)成一個光譜線系。光譜中常用 這種符號表示線系。 分別用S,P,D,F表示。鈉原子光譜有四個線系：第16頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二主線系（P線

10、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,； 在鈉原子光譜的四個線系中，只有主線系的下級是基態(tài)（3S1/2能級），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。 第17頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二主線系光譜是 之間躍遷產(chǎn)生的， 其中上能級是雙重的，下能級是單重

11、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度比是2：1。 第18頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二銳線系光譜是 之間躍遷產(chǎn)生的， 上能級是單重的，下能級是雙重的。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度比是1：2。 第19頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二漫線系光譜是 之間躍遷產(chǎn)生的， 這時上、下能級都是雙重的。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度比為1：2. 第20頁，共23頁，2

12、022年，5月20日，13點40分，星期二二、實驗內(nèi)容 1.利用汞原子光譜校正光譜儀 檢查儀器，接通光譜儀及電腦、打印機電源，將光譜儀電壓調(diào)到500V左右，使狹縫寬度小于0.10mm。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。第21頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二3.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。 計算氫原子的里德波常熟，并計算D，H的原子核質(zhì)量比。第22頁，共23頁，2022年，5月20日，13點40分，星期二三、注意事項 1.光電倍增管不宜受強光照射（會引起雪崩效應(yīng)），因此測量時不要使入射光太強。 2.氫、