1、中國石油大學 原子發射光譜 實驗報告 成 績： 班級： 物理1302 姓名： 尹昊 同組者： 張棟、姜順 教師： 周偉原子發射光譜測量實驗【實驗目的】1. 了解光柵光譜儀的結構、原理。2. 了解光電倍增管處理系統和CCD處理系統在光譜測量中的應用。3. 研究鈉原子光譜、氫氘光譜、汞光譜燈的光譜特性。【實驗原理】光譜儀是能將白光按不同波長分成單色光譜的光學儀器，它由準直系統，色散系統和聚焦成像系統組成。準光系統通常由入射狹縫和準直物鏡組成。入射狹縫位于準直物鏡的焦平面上。對于光譜儀來說，入射狹縫實際上是光譜儀的光源，待測信號光經照明系統照射入射狹縫，入射狹縫發出的光束經準直鏡后成為平行光投射到色

2、散系統。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。聚焦成像系統是利用成象物鏡把經過色散系統后，在空間上色散開的各波長的光束會聚或成象在成象物鏡的焦平面上。形成一系列的按波長排列的單色狹縫像，即通常所看到的光譜圖。 光學系統采用的是切爾尼-特納裝置（C-T）型，如圖1所示。圖1 切爾尼-特納光路圖準直和成像的焦距是500nm，相對孔徑1/7，光柵條數分別為2400l/mm和1200l/mm，閃耀波長為250nm。波長掃描機構是圖2所示的正弦機構。B¦NPGOxl圖2 正弦機構原理由計算機對光譜儀進行掃描控制、信號處理和光譜顯示。其工作原理

3、如圖3所示。光電信號前置放大器 放大的光電信號增益控制信號系統控制信號光譜數字信號/變換/變換步進電機控制信號 負高壓控制信號負高 壓電源步進電機驅動電源負高壓2131電子計算機步進電機驅動脈沖圖3光譜儀的工作原理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的光譜信號。光信號經過倍增管（或CCD）變為電信號后，首先經過前置放大器放大，再經過A/D變換，將模擬量轉變成數字量，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

4、間可以由控制軟件根據需要設置。前置放大器的增益現為1，2，7七個檔次，數越大放大器的增益越高。光電倍增管的負高壓也分為1，2，7七個檔次，數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10ms40s之間任意改變。【實驗裝置】光譜儀【實驗內容】所謂發射光譜就是物質在高溫狀態或因受到帶電粒子的撞擊而激發后直接發出的光譜。由于受激時物質所處的狀態不同，發射光譜有不同的形狀，在原子狀態中為明線光譜，如鈉燈、汞、氫氘燈等。在分子狀態中為帶光譜，如氮放電燈；在熾熱的固態、液態或高壓主氣體中為連續光譜，如鎢燈、氘燈等。由于不同的元素的原子能級結構各不相同，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了某種元素的“住留譜線”，就是說試樣中含有該元素。1鈉光譜實驗 11實驗原理：鈉原子由一個完整而穩固的原子實和它外面的一個價電子組成。原子的化學性質以及光譜規律主要決定于價電子。與氫原子光譜規律相仿，鈉原子光譜線的波數可以表示為兩項差=- （2）其中 為有效量子數，當 無限大時， ,為線系限的波數。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不是整數，而是主量子數n減去一個數值，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殼層均被子電

6、子占滿，剩下的一個電子在最外層軌道上，此電子稱為價電子，價電子與原子的結合較為松散，與原子核的距離比其他內殼層電子遠得多，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。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。同時當價電子的部分軌道穿入原子實內部時，電子也將受到原子產的附加引力，降低了勢能，此即軌道貫穿現象。原子能量的這兩項修正都與價電子的角動量有關，角量子數l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

7、著，原子能量也越低。因此，價電子越靠近原子實，即n越小、l越小時，量子缺越大（當n較小時，量子缺主要決定于l，實驗中近似認為與n 無關）。鈉原子光譜一般可以觀察到四個譜線系。主線系：相應于3s-np躍遷，n=3，4，5.主線系的譜線比較強，在可見光區只有一條譜線，波長約為589.3 nm，其余皆在紫外區。由于自吸收的結果，所得鈉黃線實際為吸收譜線。銳線系：相當于3s-np躍遷，n=3，4，5.其第一條譜線波長為818.9 nm，其余皆在可見區域。銳張系強度較弱，但譜線邊緣較清晰。漫線系：相當于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，波長約為1139.3

8、nm，其余皆在可見光區。基線系: 3s-np躍遷，n=3，4，5.其譜線強度很弱，皆在紅外區。鈉原子光譜系有精細結構，其中主線系和銳線系是雙線結構，漫線系和基線系是三線結構。各譜線系的波數公式為:主線系: (n3)銳線系: (n4)漫線系: (n3)基線系: (n4) （3）其中 , , , 的下標分別表示角量子數l=0，1，2，3，R為里德伯常量。12 實驗方法：(1)實驗儀器：WGD-8A 多功能光柵光譜儀(2)光源：鈉光燈(3)按使用說明書及操作程序繪出鈉光譜圖并檢出其波長值。附: 8A型多功能光柵光譜儀對鈉光譜的實測譜線對 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 鈉原子能級圖（4）實驗目的：由鈉原子光譜確定各光譜項值及能級值, 量子缺。1) 光譜項值的確定由測得的同一線系各光譜線的波數定出該線系的各光譜項T及線系限 ，同一線系的相鄰譜線的波數分別為 （4） （5）相鄰譜線的波數差 （6）按上式可由相鄰的波數差求得 , 由此可求出各光譜項： （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 的數值制出的.表中給出了由1.00至10.98每隔0.02所對應的與T(n) 值。已知 也可查出對

11、應的 及T(n)值。如果所得的值不恰好與表中數據符合，可由附近的兩個值用線性插值法求出所測的與T(n)值。2) 由光譜項確定能級基態能級為 （9）其它各激發態能級 （10）因此，由主線系、銳線系、 漫線系、基線系可以分別寫np態、 ns態、nd態和 nf態各能級。3) 確定主量子數和量子缺在每一線系，計算相鄰兩條譜線的波數差，由里德伯插值表求出相應的m和a，再由求出量子缺和。或者由氫原子在較高能級(n大)時，鈉原子與氫原子的能量相等，定出 再由及求出，。（5）數據處理以圖6給出的主線系的譜線為例：1） 計算光譜項值：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 A：基態能級：由（8）式得： E=-=-41466.00×6.63××3.00×=-8.24evB:n=3激發態： =-6.63××3.00×（16969.00-41466.00） =4.87ev4) 計算量子缺（鈉原子3p能級）：3-2.117=0.883同理：可計算每一線系中相鄰兩條譜線的波數差，求出相應的與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，然后進行數據處理。例如，由實驗(圖6)測得主線系3s3p雙線的平均波長=589.31nm，波數，3s4p的雙線平均波 長330.26nm波數,這

13、兩相鄰譜線的波數差為。查里德伯表（見附表），在表中介于13143.31與13464.67之間。13143.31的左側為24416.45，對應于m=2，a=0.12，顯然這就是3p的光譜項值，即,有效量子數=2.12，13143.31的右側為11273.14，對應于m=3，a=0.12，,有效量子數,13143.31為與兩光譜項之差。同理，13143.31左側為24883.74，對應的有效量子數，右側為11419.07,對應的有效量子數, 13464.67為與兩光譜之差，因此，設實驗測得的波數差13310.17為與兩光譜項之差, 則介于2.10于2.12之間，介于3.10與3.12之間，差別僅在

14、于小數部分。利用線性插值法，得因此，即由 可求得鈉原子3p能級的量子缺。附:褚圣麟1979年編寫的原子物理學中的鈉的光譜項值和有效量子數供參考數據來源電子態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氫氘實驗21原理根據玻爾理論，氫原子的能級公式為：式中5稱為約化質量，為電子質量，M為原子核質量，氫原子的M/等于1836.15。電子從高能級躍遷到低能級時，發射的光子能量為兩能級間的能量差，如以波數表示，則上式為：式中稱為氫原子的里德伯常數，單位是，稱為光譜項，它與能級是對應的。從可得氫原子各能級的能量：式中， 理論可知，從m3至n=2的躍遷，光子波長位于可見光區，其光譜符合規

16、律這就是1885年巴耳末發現并總結的經驗規律，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實驗儀器: WGD-8型多功能光柵光譜儀。23實驗內容: 按實驗說明書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 H：656.2 486.13 434.047 410.174D：656.1 486.01 433.928 410.0622. 4實驗目的: 測定氫和氘的里德伯常數（RH=109677.6cm-1）1）第一種方法：作圖法依據公式： =1/l0 l0=lN l0真空中的波長l 空氣中的波長N 空氣的折射率，N=1.000280A.

17、 波長變波數：=15233.1cm-1 =20564.9 cm-1 =23032.4 cm-1 =24373.3cm-1B. 當=3.4.5.6.代入（1/4-1/）得：=5/36C. 以（1/4-）為橫坐標，波數為縱坐標作圖：測得：OA=-0.04，OB=4387.13 即：R=109678.25cm-1圖10作圖法測定里德伯常數-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 (m=3、4、5、6)用線性擬和求出和RD已測知： 設： m=3時，； m=4時，； m=5時，； m=6時，設擬合方程為： y=A+Bx 其中 y= 依據最小二乘法得： A= =20800.6254056.117代入解得： A=32.5053 B= 109850.41（）所以氫的里德伯常數=109850.41（）3) 求氘的里德伯常數：氫和氘的相應波長差為： 所以，由圖9及氫的里德伯常數為：；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，實測光譜圖如下： 圖11汞燈光譜圖12 汞原子能