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1、报告者：陈基王琳 指导老师：霍剑青锂、钠、钾原子光谱的获得 及碱金属原子光谱的研究锂、钠、钾原子光谱的获得 及碱金属原子光谱的研究引言?本实验中通过拍摄Li，Na，K原子光谱探究 碱金属原子能级结构的一般规律。分别用查 表法和迭代法计算各能级的量子缺，并分析 了各能级精细结构分裂的影响因素。?Li，Na，K是碱金属中的代表元素，研究Li， Na，K光谱可以分析碱金属元素的光谱性质 和能级结构。背景?原子发射光谱分析的起源：化学家研究焰色 反应基尔霍夫利用分光镜将谱线折射 形成光谱，发现各种元素都有各自的特征谱 线?发展：光栅光谱仪取代了棱镜摄谱仪；光源 也由最初的本生灯换成了更高能量，干扰更
2、小的电弧发生器，高压火花器和激光显微光 源等；电脑进行自动的采样和处理?原理?实验设计?底片分析?量子缺计算?精细结构分析?总结原理简介?碱金属原子的光谱系列和氢原子的光谱相似，但又 不完成相同。碱金属最外层有一个价电子，光谱特 征也主要由价电子的跃迁规律决定?在原子物理中处理碱金属的方法是将碱金属原子的 原子核和内层电子看作原子实，一个价电子绕原子 实运动，用处理类氢原子的方法处理碱金属原子， 但由于碱金属原子存在原子实极化和轨道贯穿，使 得类氢的处理需要引入量子缺。主量子数不再是 整数，而是n*=n-。知道了就可以用类氢 的方法处理碱金属原子。原理简介?波数?碱金属光谱在可拍摄范围内一般有
3、四个线系： 主线系，锐线细，漫线系，基线系。?例，Na主线系：?锐线系：?漫线系：?基线系：3n ()()223RRspn=2*nn=()R()223RRspn=()()223RRdpn=4n 3n()()223RRdfn=4n 线性插入法测量原理?在光谱图片间隔很小 内，摄谱仪的色散可以 认为是常数，即谱线间 隔与波长差成正比。由 于铁弧光谱很丰富，而 且有标准谱板，因此利 用哈德曼光阑，在不移 动暗盒的情况下，拍摄 未知谱和铁光谱，由线 性插入法可求出未知谱 线波长()121xdd=+主要仪器?WSPI型光栅光谱仪型光栅光谱仪?工作波段： 200800nm?仪器焦距：1800mm?一级闪烁
4、波长500nm， 1200/mm的光栅?一次摄谱范围：108nm?底片感光范围： 300700nm?阿贝比长仪阿贝比长仪?测量范围：测量范围：200mm标尺分度值：标尺分度值：1mm读数显微镜分度值：读数显微镜分度值： 0.001mm对线显微镜工作距离：对线显微镜工作距离： 50mm样品?氯化锂，氯化钠，氯化钾?氯化锂：白色结晶状粉末易潮解 ，熔点 614 ，沸点1382?氯化钠：无色透明的结晶状粉末，熔点 801，沸点1442?氯化钾：白色结晶状粉末，熔点770，C升 华点1500，C沸点1420C返回摄谱计划考虑因素： （1）锂，钠，钾三种光谱，其中Na光谱有参考值，Li、K谱未 知。 （
5、2）底片一次拍摄长度108nm，拍摄范围是300700nm。 （3）底片有效宽度25mm，哈德曼光阑共九道，每道光谱占据 1mm。所以如果要把九道都拍下，一张底片最多能拍两次。 （4）哈德曼光阑的2、5、8道必须拍摄标准铁谱，用于插值测 量。另外，要选一道拍摄碳谱，因为样品装在C棒中，用于 筛选所拍谱中的样品原子光谱。 （5）Na谱线有参考值，可用作大致判断谱线位置，所以拍摄 Li、K谱时也要划出一道拍Na谱。 （6）拍摄一种原子谱线时最好选两道，并用不同的曝光时间 拍，一来可以防止某一道拍摄失败造成此段光谱没用，二来 可以防止因为曝光时间不同造成谱线过深或者过淡。摄谱计划综合以上因素，我们选
6、择了使用三张底片的最节约的 拍摄。 首先，Li，K的谱未知，需要完整拍摄300700nm的 波段，考虑将在同张底片上拍摄Li，K，只需要两张 底片，一张分两次可拍摄到300500nm的波段，另 一张拍摄500700nm 其次，Na谱的能拍摄的谱线共有六组，一组波长大约 为330nm，另外的都在480680nm的范围内，而且 只拍Na的话每次用7道（不用1、9道）就够了，这 样，一张底片上就可以拍三次，前两次分别拍摄 480580nm和580680nm的波段，第三次只要包 括330nm的一条就可以了。摄谱计划?光栅转角的选取：由于一次拍摄的范围约为108nm。 选择不同的光栅转角就选择不同的波段
7、。光栅转角 的选取不需要特别精确，能包含需要的谱线就行了。?选择方法：利用Na的特征谱线。如找到某光栅转角 对应的拍摄波段为580nm680nm，只要把Na双黄 线移到镜头短波端。如果需要的是600700nm，则 在此基础上再移过一点，使得镜头内看不到双黄 线，但还能看到610nm 左右的Na线就可以了底片1光栅转角821 板移 14787 22728 30光阑曝光 时间s光阑曝光 时间s光阑曝光 时间sNa灯7973679Na436445436Na620640620C330330330Fe2,5,8252,5,8252,5,825底片2 光栅转角 板移828 14790 25哈德曼光阑 曝光
8、时间s曝光时间s Li12020 C33030 K43035 Fe2，5，82525 Li62525 K93540 Na74040底片3光栅转角 板移759 14723 25哈德曼光阑 曝光时间s曝光时间s Na14040 Li32525 Li62830 C93030 K44248 K74853 Fe2,5,82525返回底片分析理论上碱金属光谱的主线系， 锐线系为双线结构，漫线系 为三线结构 锐线系各对线的间距相等，且 等于主线系第一对线的间 距，且与漫线系中的1，2 线间距也相等?吸收线是由于激发的原子辐 射的光子被处于基态的原子 吸收产生共振吸收底片分析?钠光谱能观察到都是双线，其中漫线
9、系是因 为三线结构中的两条靠的很近而出现一细一 宽的结构。在拍摄范围内，主线系两对，锐 线系漫线系各两对。（其中有一对吸收线）?由于锂原子光谱各线间距很近，只能观察到 单线，一条是吸收线 ?钾光谱观察到两对双线，两对“四线”（靠得很 近），钾的吸收线在红外波段，不在拍摄范 围之内。返回量子缺计算?查里德堡表法?利用找出其在理 德堡表中的相应位置， 进而利用线性插值求出 a，得到相应的有效量 子数n*，n*为m+a，m 为整数部分，a为小数 部分?迭代法?迭代式：?利用mathematica中的 内部函数FindRoot求解 上述方程就可以得到有 效量子数1nnn+=()22* 1RR nn=
10、+n() ()1 1 1n nn nf xxxfx =K谱分析1K1K2K3K4波 数 cm-1171 52. 40172 10. 41172 42. 22173 00. 592K1K2K3K4波 数 cm-1186 57. 26187 14. 86187 26. 84187 84. 263K1K2波数 cm-124708. 9324727. 884K1K2波数cm-129006. 8029011. 40?由于钾谱的未知性，要计算其量子缺，必须分析谱线特征和 主量子数。经计算得1(2)中k1和k2,k3和k4的能级间隔均为 57.7/cm.与4p(j=1/2,j=3/2)的间距相等。?主线系4
11、p-4s为766.4nm,769.9nm.波数差为57.7/cm?所以1,2中四对谱线都为漫（锐）线系中的一种，且1（2） 中各为一对漫线系和一对锐线系。从间距来看，3，4都是主 线系。?由4p-4s和3计算得n*为2.22和3.22。所以n=4对应2.22， n=5对应3.22，p=1.78.由3和4计算得n*为3.26和4.26.所以 n=5对应3.26，n=6对应4.26，p=1.74.?再来分析1，2，由于1（2）中两对谱线相距很近，不妨各取 一对来看。计算得有效量子数为4.80,5.80.由此可知，1（2） 中的n*在4.80和5.80左右。 d应为0.2，1.2，2.2.考虑到 漫
12、线系d, Li为0.00，Na为0.01，K也应较小，估计为0.20. ?利用计算得 ?4d-4p =14266.09/cm 不在可拍摄范围 ?5d-4p =17101.76/cm 与1中相符 ?6d-4p =18602.04/cm 与2中相符?分析锐线系：n-s=4.80(5.80) sp=1.76 则4.80对应 的n6.56 取n=7, s=2.20 较符合，若取n=8, s=3.20,与 p=1.76相差太大，不符。 所以锐线系对应的主量子数为7 和8，即7s-4p,8s-4p.22(4)()RR pnd= ?根据能量最低原理，E(7s)E(5d) E(8s)E(6d) 所以至此钾谱分
13、析成功。?1.k1,k2对应5d-4p?k3,k4对应7s-4p?2.k1,k2对应6d-4p?k3,k4对应8s-4p?3.k1,k2对应5p-4s?4.k1,k2对应6p-4sLi里德堡表法迭代法(mathematica)nn*nn*主线系21.970.0321.96541 0.03459 43.600.4043.59805 0.40195 54.550.4554.54770 0.45230 33.000.0032.99679 0.00321 44.000.0044.00261 0.00261 55.020.0255.01781 0.01781 *中，n*n，是由另外的原因引起（） 教材（
14、）上的近似参考值是：s=0.41，p=0.04漫线系*锐线系计算方法Na计算方法里德堡表法迭代法(mathematica) nn*nn* 32.110.8932.10956 0.89044 43.130.8743.12882 0.87118锐线系53.651.3553.64571 1.35429 漫线系43.990.0143.98789 0.01211 教材（）上提供的近似参考值是：s=1.37， p=0.88，d=0.01主线系K计算方法里德堡表法迭代法(mathematica) nn*nn*主线系42.221.7842.21870 1.78130 53.261.7453.25659 1.7
15、4341锐线系74.822.1874.81948 2.18052 漫线系54.800.2054.79553 0.20447计算结果分析?从上面的表格中可以看出,对于同一原子而言, l随l的减小而增大,即l越小, l越大.且从Li 到K, l呈现出整体上升的趋势.?究其原因可从两方面考虑,原子实极化和电子 的轨道贯穿效应.由于价电子的存在,使原子实 中电子的负电中心和带正电的核会发生微小 的相对移动,从而使原子实发生极化,形成一电 偶极子.极化而成的电偶极子的电场有反作用 到价电子上,产生附加吸引力,使能量降低.?我们知道对于n和l不同的轨道影响是不一样 的,n小的轨道造成的极化强些.同一n值,
16、l小的 轨道中有一部分离原子实更近,引起较强的极 化,使能量下降的更多.通过?可以看出在n相同时,l越小时能量降低得越多, 从而得到量子缺l越大.22*()RREhcThchcnnl= = = ?再从电子轨道贯穿效应来分析.当l越小时越容易发生 轨道贯穿,使Z*变大(Z*1).而 Z*=n/n*,l越小时(n相 同),Z*越大,使得n*越小,从而有l越大.在实验数据 中已经体现出来了.?从Li到K, l呈现整体上升的趋势主要原因在于原 子实包含的电子越来越多，即使是贯穿能力很弱的 d轨道，只要有一些偏离就会使Z*变化很大，从 而使l增大很多更不用说s,p这种贯穿能力很强 的会有多大的量子缺了?返回精细结构分析?Na的3P能级分裂：?K的4P
