用多功能光栅光谱仪进展钠光谱测量试验碱金属原子的光谱和氢原子光谱相像，也可以归纳成一些谱线系列，而且各种不同的 碱金属原子具有格外相像的谱线系列碱金属原子的光谱线主要由4 个线系组成：主线系、第一谱线系〔漫线系〕、其次辅线系〔锐线系〕和柏格曼线系〔基线系〕进一步对碱金属原 子光谱精细构造的争论证明白电子自旋的存在和原子中电子的自旋与轨道运动的相互作用， 这种作用较弱，由它引起了光谱的精细构造钠原子光谱及其相应的能级构造具有碱金属原 子光谱和能级构造的典型特征试验目的】1、 加强学生对光栅光谱仪的原理和根本组件的了解2、对钠原子光谱的进展测量和分析，加深对相关理论的理解与把握3、由钠原子光谱确定各光谱项值及能级值, 量子缺Δ试验器材】本试验用到的仪器主要有：WGD-8A 多功能光栅光谱仪，钠光灯，计算机光谱仪是能将入射光按不同波长分成单色光谱的光学仪器，它由准直系统、色散系统和聚焦成像系统组成准直系统通常由入射狭缝和准直物镜组成入射狭缝位于准直物镜的焦平面上对于光谱仪来说，入射狭缝实际上是光谱仪的光源，待测信号光经照明系统照耀入射狭缝，入射狭缝发出的光束经准直镜后成为平行光投射到色散系统。
色散元件通常为棱镜，光栅和法布里-珀罗干预仪色散元件为光栅的光谱仪称作光栅光谱仪聚焦成像系统是利用成象物镜把经过色散系统后，在空间上色散开的各波长的光束会聚或成象在成象物镜的焦平面上形成一系列的按波长排列的单色狭缝象，即通常所看到的光谱图41 2 31 光电倍增管接收器2 CCD 接收系统3 入射狭缝图 1-1 WGD-8/8A 型 多功能光栅光谱仪仪器外观图 1-2 电箱正视图1 2 3 4 5 61 负高压调整 6 电源开关2 负高压指示 7 USB 讯号线3 USB 口电源指示 8 CCD 电缆线4 工作指示5 通讯指示9 单色仪电缆线10 光电倍增管电缆线10 9 8 7WGD－8A 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，计算机组成光学系统承受的是切尔尼--特纳装置〔C-T〕型，如图2-1 所示图 2-1 切尔尼-特纳光路图1光电信号31前置放大器2步进电机驱动脉冲负高压增益掌握信号放大的光电信号步进电机驱动电源负高压电源负高压掌握信号系统掌握信号步进电机掌握信号//变换变换电子计算机光谱数字信号由计算机对光谱仪进展扫描掌握、信号处理和光谱显示。
其工作原理如图2-3 所示图 2-3 光谱仪的工作原理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/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 的积分时间可以由掌握软件依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 200VCCD 的积分时间可以在 10ms-40s 之间任意转变扫描掌握是利用步进电机掌握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，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长转变0.1nm仪器中的闪耀光栅的原理如图 2-4 所示nΒ”n”βφθα图 2-4 闪耀光栅的原理图图中的n 为光栅外表的法线，n’为刻痕工作外表的法线；β 和β ’是相对于刻痕工作外表的法线 n’的入射角和反射角；φ 和θ 是相对于光栅外表法线 n 的入射角和反射角；d 为光栅常数；α 为刻痕工作外表与光栅外表的夹角；a 为刻痕工作外表的宽度。
当入射光与光栅面的法线n 的方向的夹角为j 时，而衍射角为q 时，取一级衍射项时，光栅方程式为：d(sinj＋sinq)= l因此当光栅位于某一个角度时〔j、q 肯定〕，波长 l 与 d 成正比当光栅在步进电机的带动下旋转时可以让不同波长的光进入出射狭缝，从而测出该光波的波长和强度值试验原理】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与氢原子光谱规律相仿，钠原子光谱线的波数s可以表示为两项差n~ = n~¥R n- n*……………………………………………(1)其中 n*为有效量子数，当 n* 无限大时， n%n=n ,n%%¥ ¥为线系限的波数钠原子光谱项R RT = =n*2 (n - D)2它与氢原子光谱项的差异在于有效量子数n *不是整数，而是主量子数n 减去一个数值Δ ， 即量子修正Δ ，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， n 越小、l 越小时，量子缺Δ 越大〔当 n 较小时，量子缺主要打算于l，试验中近似认为Δ 与 n 无关〕钠原子光谱一般可以观看到四个谱线系主线系：相应于 3s-np 跃迁，n=3,4,5….主线系的谱线比较强，在可见光区只有一条谱线，波长约为 589.3 n m，其余皆在紫外区。
由于自吸取的结果，所得钠黄线实际为吸取谱线锐线系：相当于 3s-np 跃迁，n=3,4,5….其第一条谱线波长为 818.9 n m,其余皆在可见区域.锐张系强度较弱,但谱线边缘较清楚漫线系:相应于 3s-np 跃迁，n=3,4,5….漫线系的谱线较粗且边缘模糊,第一条谱线在红外区,波长约为 1139.3 n m,其余皆在可见光区.基线系: 3s-nf 跃迁，n=3,4,5….其谱线强度很弱,皆在红外区.钠原子光谱系有精细构造,其中主线系和锐线系是双线构造,漫线系和基线系是三线构造. 各谱线系的波数公式为:主线系 : n% = R -R(n≥3)n (3 - D )2 (n - D )2s R p R锐 线 系 : n% = -(n≥4)n (3 - D )2 (n - D )2p sn% =R - R 漫 线 系 :n (3 - D%p)2 (n - Dd)2 (n≥3)基 线 系 :n = Rn (3 - D )2d- R(n - D )2f(n≥4) (2)其中 Ds, D , D , Dp d f的下标分别表示角量子数l=0,1,2,3, R 为里德伯常量.11) 光谱项值确实定l由测得的同一线系各光谱线的波 n% =n%n ，同一线系的相邻谱线的波数分别为 n¥数定出该线系的各光谱项 T 及线系限%%n =n%n ¥- R / (n - D)2 (3)%nn+1=n - R / (n +1-D )2 (4)¥相邻谱线的波数差Dn%n=n%n+1-n%n= R / (n - D)2 - R / (n +1- D)2 = R / n*2 - R / (n* +1)2 (5)按上式可由相邻的波数差求得n *,由此可求出各光谱项RT (n) = R / n*2 =的值.由(n - D)2…………………………………………………(6)%%n =n¥ n+ R / n*2 =n%n+ T (n) (7)%又可求出各线系的 n 值.¥2) 由光谱项确定能级基态能级为%E = -n¥hc (8)基他各激发态能级%E = -hc(nn n-n ) ……………………………………………(9)%¥因此,由主线系,锐线系, 漫线系,基线系可以分别写np 态, ns 态, nd 态和 nf 态各能级.3) 确定主量子数和量子缺在每一线系,计算相邻两条谱线的波数差 ,由里德伯插值表求出相应的 m 和 a,再由n - D = m + a 求出量子缺D 和 n .或者由氢原子T = R / n2 在较高能级(n 大)时,钠原子与氢原子的能量相等,定出n 再由n 及n*求出Δ , D = n - n*【试验内容及步骤】按 WGD-8A 多功能光栅光谱仪使用说明书及操作程序绘出钠光谱图并测出其波长值，由钠原子光谱确定各光谱项值及能级值、 量子缺Δ 。
思考题】1. 如何求出入射狭缝的最正确宽度？2. 光栅光谱仪的理论区分本领如何计算？怎样测量它的实际区分本领？3. 比较光栅光谱仪的理论区分本领和实际区分本领，说明两者差异大的缘由附: 8A 型多功能光栅光谱仪对钠光谱的实测谱线对图 4-2 钠原子能级图1、主线系〔P〕3S～np n=3，4，5… A：n=3 3S～3p 5890 A° 5896 A° B：n=4 3S～4p 3302 A° 3303 A° C：n=5 3S～5p 2852.8 A° 2853 A°……2、漫线系〔D〕 3p-nD n=3，4，5… A：n=3 3p-3D 8183 A° 8195 A° B：n=4 3p-4D 5682A° 5688A°……3、锐线系〔S〕 3p- nS n=4，5，6… A：n=4 3p-4S 11383 A° 11404A° B：n=5 3p-5S 6154A° 6160A° C：n=6 3p-6S 5149 A° 5153.7 A°……4、基线系 3D-nF n=4，5，6………图 4-1 钠光谱主线系。