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1、多功能光栅光谱仪的使用 -氢（氘）、钠原子发射光谱的研究,一、原理,WGD8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用的是切尔尼-特纳装置（C-T）型，如图所示。,仪器设备,光谱仪的工作原理图,光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时，出射光通过狭缝S2到达光电倍增管。用CCD做探测器时，转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S3到达CCD，CCD可以同时探测某一个光谱范围内的光谱信号。,光信号经过倍增管（或CCD）变为电信号后，首先经过前置放大器放大，再经过A/
2、D变换，将模拟量转变成数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件根据需要设置。前置放大器的增益现为1，2，7七个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高压也分为1，2，7七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可以在10ms-40s之间任意改变。,扫描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦机构。）中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使
3、出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。,图2-2 正弦机构原理,本仪器主要做发射光谱实验！,所谓发射光谱就是物质在高温状态或因受到带电粒子的撞击而激发后直接发出的光谱。由于受激时物质所处的状态不同，发射光谱有不同的形状，在原子状态中为明线光谱，如钠灯、汞、氢氘灯等。在分子状态中为带光谱，如氮放电灯；在炽热的固态、液态或高压主气体中为连续光谱，如钨灯、氘灯等。,由于不同的元素的原子能级结构各不相同，每种元素的光谱也犹如人的指纹一样具有自己的特征。特别是一种元素都有被称为“住留谱线”（RU线）特征谱线，如果试样的光谱中出现了某种元素的“住留谱线”，就是说试样中含有该元素。,实验原理,（一）氢与氘原子
4、光谱：,巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为：,式中 为氢光谱线的波长，取3、4、5等整数。,若改用波数表示谱线，由于,则上式变为,式中109678cm-1叫氢的里德伯常量。,由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为：,上式的,是元素A的理论里德伯常量，z是元素A的核电荷数，n1,n2为整数，m和e是电子的质量和电荷，是真空介电常量，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的质量。,显然，RA随A不同略有不同，当MA时，便得到里德伯常量：,所以,应用到H和D有：,可见RD和RH是有差别的，其结果就是D的谱线相对于H的谱线会有微小位移，叫同位素位移。,是能够直接精确测量的量，,测出,也就
5、可以计算出RH , RD和里德伯常量 ，,同时还可计算出D,H的原子核质量比：,同一光波，在不同介质中波长是不同的。,我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长。但在实际测量当中，受所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。,氢的特征谱,紫外部分： 赖曼系：,可见光部分：巴尔末系：,红外部分： 帕邢系：,布喇开系：,蓬得系：,汉弗莱斯系：,钠光谱实验,钠原子由一个完整而稳固的原子实和它外面的一个价电子组成。原子的化学性质以及光谱规律主要决定于价电子。,与氢原子光谱规律相仿，钠原子光谱线的波数可以表示为两项差,其中 为有效量子数，当 无限大时， , 为线系限的波
6、数,钠原子光谱项,T=,它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数 不是整数，而是主量子数n减去一个数值，即量子修正，称为量子缺。量子缺是由原子实的极化和价电子在原子实中的贯穿引起的。 碱金属原子的各个内壳层均被子电子占满，剩下的一个电子在最外层轨道上，此电子称为价电子，价电子与原子的结合较为松散，与原子核的距离比其他内壳层电子远得多，因此可以把除价电子之外的所有电子和原子核看作一个核心，称为原子实。,由于价电子电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移，于是负电荷的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。极化产生的电偶极子的电场作用于价电子，使它受到吸引力而引起能量降
7、低。同时当价电子的部分轨道穿入原子实内部时，电子也将受到原子产的附加引力，降低了势能，此即轨道贯穿现象。,原子能量的这两项修正都与价电子的角动量有关，角量子数 越小，椭圆轨道的偏心率就越大，轨道贯穿和原子实极化越显著，原子能量也越低。因此，价电子越靠近原子实，即n越小、 越小时，量子缺越大（当n较小时，量子缺主要决定于l，实验中近似认为与n 无关）。,分别用S,P,D,F表示。钠原子光谱有四个线系：,主线系（P线系）：3S-nP， n=3,4,5,；,漫线系（D线系）：3P-nD, n=3,4,5,；,锐线系（S线系）：3P-nS， n=4,5,6,；,基线系（F线系）：3P-nF， n=4,
8、5,6,；,在钠原子光谱的四个线系中，只有主线系的下级是基态（3S1/2能级），在光谱学中，称主线系的第一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名的黄双线（589.0nm和589.6nm）。,钠原子的其他三个线系，基线系在红外区域，漫线系和锐线系除第一组谱线在红外区域，其余都在可见区域。,其中上能级是双重的，下能级是单重的，因此，根据选择定则，主线系是双重结构。其短波成分和长波成分的强度比是2：1。,上能级是单重的，下能级是双重的。根据选择定则 ，锐线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度比是1：2。,这时上、下能级都是双重的。根据选择定则，漫线系应该有三条谱线，分别记为 ,但由于 相
9、距很近，通常无法分开，两个成分合二为一，其波长用 表示，称为复双线结构。其短波成分和长波成分的强度比为1：2.,二、实验内容,1.利用汞原子光谱校正光谱仪,检查仪器，接通光谱仪及电脑、打印机电源，将光谱仪电压调到500V左右，使狭缝宽度小于0.10nm。接通汞灯电源，预热3分钟后测量。可测光谱为365.01nm、365.46nm、366.32nm、404.66nm、404.98nm、435.83nm、546.07nm、576.89nm、579.07nm。,2.观察钠原子光谱并描绘测得的图象,将光谱仪电压调到500 V左右，可见的光谱为589.0nm、589.6nm。,3.观察氢氘原子光谱并描绘
10、测得的图象 ,利用测得的数据值计算里德伯常数。,将光谱仪电压调到1000 V左右，可测的氢光谱为410.17nm、434.05nm、486.13nm、656.28nm。,计算氢原子的里德波常熟，并计算D，H的原子核质量比。,三、注意事项,1.光电倍增管不宜受强光照射（会引起雪崩效应），因此测量时不要使入射光太强。,2.氢、氘光的谱线相隔很近，因此测量时要求灵敏度最高（能量间隔0.01nm），电压接近1000伏；保持室内安静。同时，由于氢、氘灯的电压很高（4000伏左右），在使用过程中不要轻易触摸。,3.为了保证测量仪器的安全，在测量中不要任意切换光电倍增管和CCD；入射狭缝的调节范围在2nm内，若入射狭缝已经关闭就不要再逆时针旋动螺栓，以免损坏狭缝。,
