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1、钠原子光谱的观测与分析AbstractThis experiment aims at measure and observe the spectrums of sodium by Atomic Emission Spectrometry.And some spectrums of the principal series,sharp series and diffuse series have been received.Some erros have been found and explained and the intensions of some spectrums just conf
2、orm to the law of the summation of the intensions.关键词：原子物理原子光谱项的波长原子发射光谱法Na原子平面光栅单色仪引言：通过对氢原子的研究，人们认识到电子围绕原子核运动时只能处于一系列能量不连 续的状态，获得关于氢原子结构的知识，对于多电子原子，除了原子核和电子的相互作用外， 还存在着电子之间的相互作用，电子的自旋运动和轨道运动的互相作用也更为显著。本试验 以钠原子光谱为例，通过对钠原子光谱的观察，分析，加深对碱金属原子中外层电子和原子 实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解，在对光谱线系进行分析和波长测量的基础 上，计算钠原子中价电子
3、在不同轨道运动时的量子缺，绘制钠原子的部分能级图，并根据双 重线不同成分的波长差，计算价电子在某些轨道运动时原子实的有效电荷。理论部分：(一) 原子光谱的产生：1、原子的壳层结构原子是由原子核与绕核运动的电子所组成。每一个电子的运动状态可用主量子数n、角 量子数l、磁量子数mi和自旋量子数m，等四个量子数来描述。主量子数n，决定了电子的主要能量E。角量子数l，决定了电子绕核运动的角动量。磁量子数mi (轨道方向的量子数)，决定了电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分量。自旋量子数m (自旋方向量子数)，决定了自旋角动量沿磁场方向的分量。&2、光谱项由于核外电子之间存在着相互作用，其中包括电子轨道之
4、间的相互作用，电子自旋运 动之间的相互作用以及轨道运动与自旋运动之间的相互作用等，因此原子的核外电子排布并 不能准确地表征原子的能量状态，原子的能量状态需要用以n、L、S、J等四个量子数为参 疽*数的光谱项来表征：，n为主量子数。1为总角量子数。其数值为外层价电子角量L =子数i的矢量和即：jS为总自旋量子数，多个价电子总自旋量子数是单个价电子自旋量子数ms的矢量和，其值可 取0，1/2，1，3/2，2。J为内量子数，是由于轨道运动与自旋运动的相互作用 即轨道磁矩与自旋磁矩的相互影响而得出的，它是原子中各个价电子组合得到的总角量子数 L与总自旋量子数S的矢量和，即J=L+S。J的求法为:J=(
5、L+S)，(L+S-1)，|L-S|。3、跃迁规则跃迁光谱选择定则。对于L-S耦合，这些选择定则是：(1) 在跃迁时候，主量子数n的改变不受限制。(2) AL= 1，即跃迁只允许在S与p之间、P与S或者D之间,D与P或F之间等。(3) AS = 0，即单重态只能跃迁到单重态，三重态只能跃迁到三重态(4) AJ=0、1但当J=0，AJ=0的跃迁是禁止的。(二) 原子谱线的强度及其影响因素：考虑到各个能级的统计权重，可以利用谱线跃迁的强度和定则来估算谱线的相对强度。强度和定则:从同一能级向下能级跃迁产生的所有谱线成分的强度和正比该能级的同济权重g终于同一下能级的所有谱线的强度和正比于该能级的统计权
6、重g卞上下（三）钠原子光谱的线系纳原子光谱中各谱线的波数V ,可以用下列“里德堡”关系式表示:U =人1上-上其中R为里德堡常数（=109737cm-i）,在钠原子及其它碱金属原子光 谱中，由于原子核外除了最外层的一个价电子以外还有内层的许多电子，根据量子力学计算， 电子的能量不仅与主量子n有关，而且与角量子数l有关，若不考虑电子自旋和轨道运动的 相互作用引起的能级分裂，相应的勺和n2就不再是整数了。可以写成n-四，其中n是主R R量子数，g称为量子亏损（量子缺）.这样钠原子光谱项可以表示为：T（=- =-（n） （n _|i ）2 n*2量子亏损是由原子实的极化和价电子在原子实中的贯穿引起的
7、，是反映原子实作用于 价电子的电场与点电荷的电场偏离程度的物理量。本实验是用实验方法测量钠原子光谱中各 谱线的波数以计算钠原子中价电子的各能级和相应的量子亏损。当n不是很大时，量子亏损 的大小主要决定于1，而与n的关系甚小。本实验近似认为它是一个与n无关的量。各线系中谱线的波数可由下列公式表示：v = R / n * 2 - R / n * 2 =n 12（n，-日）2 （n -. ）2其中第一项是一个一定低能级的项限，也就是谱线系的系限式中第二项是相应于各高 态能值。n, R和n，H 是上下能级的主量子数与量子亏损，*与n1*分别表示上下能级的有 效量子数，角标1和1 分别表示上下能级所属轨
8、道量子数。钠原子有4个线系：1、主线系:各谱线的波数可以用下式表示：V =3snP= n=3,4,5（3-七）2 （n-）2是诸P能级 31/23/2）到基态3s能级的跃迁辐射2、漫线系（由D到，P间的跃迁所产生）RRV =3PnD= n=3,4,5“（3 -日）2（ -日 3/2,5/2到第一激发态32Pi/2,3/2能级的跃迁辐射3、锐线系：（由s到p间的跃迁所产生）RRv =3PnS=一 n=4,5,6“（3 一七）2（ 一）2是诸2Si/2能级到第一激发态32Pi/23/2能级的跃迁辐射4、基线系也称作伯格曼线系（由2,F到D间的跃迁所产生）本实验暂不做研究。（四）强度和定则从同一能级
9、向下能级跃迁产生的所有谱线成分的强度和正比该能级的同济权重g上终于同一下能级的所有谱线的强度和正比于该能级的统计权重g卞下实验部分：一、实验配置实验用的主要仪器有：光栅光谱仪（WGD-8型）、钠光谱灯、计算机平面光栅摄谱仪原理图如下：出Ad仁驻二、实验步骤1、开启光栅光谱仪电源2、将白炽灯置于入射缝前，并开启白炽灯电源3、打开“WGD-8倍增管系统”程序,，等待检零完毕（仪器自校波长零点）4、设置：“起始波长”为200nm, “终止波长”为660nm，扫描一遍，并选择峰比较大的波 长定点扫描5、测定入射缝，出射缝零点将出射缝打开，关闭入射缝根据记录的光强大小确定入射缝零点用同样的方法确定出射缝
10、的零点6、确定入射缝，出射缝的宽度将入射/出射缝打开一定宽度（0-0.05nm），两缝保持等宽取起始波长585nm，终止波长595nm观测钠588.9nm和589.6nm谱线强度适中7、设置增益为6，采集次数为5，扫描200nm到660nm的钠谱线中加以8、 观察钠双黄线波长就否符合理论值，若不同可打开“读取数据在“波长修正” 修正9、在谱线强度较强的区域扫描，设置间隔为0.01nm，采集次数为50次10、记录下各谱线结论：以下为记录的谱线图数据处理，计算量子缺:相邻组谱线的波数差：AvRR 人 a令 n -A(n-A )2(n +1 -A )2 i=m + a，其中m为整数,a为正小数，因此
11、Av =Av-Avn+1nRR(m + a )2 (m +1 + a )2a可由里德伯表查得，计算得量子缺为：A = -0.9 A =-1.36 A=-0.01 理论值为： A = -0.88 A =-1.35 A=-0.01由上面谱线图看出波长测量有些误差，锐线系第二组谱线（5S-3P）的波长小了 0.6nm，漫线系第三组谱线其中一条5D-3P大了 0.4nm，主线系的第二组谱线只观察到了 1条， T 2理论上这组谱线4 P -3S波长为330.294nm，P -3S波长为330.234nm，相差0.05nm，扫 1 22描的间隔为0.01nm，还是可以分出来的，由于当时入射出射缝未能做到等
12、宽，所以并未观 察到两条谱线，以上误差导致计算量子缺时产生误差，而且数据较少，无法用最小二乘法拟 合得出结果。由谱线系强度来看，主线系3 25 -n2P（n=3, 4, 5,）上能级是双重，下能级1 312 22是单重，根据强度和定则得：卜=髦 =一2= 2，观察到钠双黄线强度并不是2倍PB 1/22 X + 12关系，原因不明。锐线系32P -n25 （n=4, 5,）上能级是单重下能级双重，由强度和3112,22/2 x1 +1 1定则得：产=邑丹=一卜 =3，从谱线图看出锐线系第二第三组谱线均符合。漫线系:SB3/22 xy + 1复双重线32 P13- n 2虹肩3,4,5，）产生跃迁
13、如上所说，设n 2 J-32 、n 2 D3-32 P322222222强度分别为La、/DC气32P3强度为y，由强度和定则得：35j + j2x己 +14 j2x己 +16DBDC = 32 =2=、DB= 552 = 2=解得 I : I : I =5：Jg 。1 r 2 I +1 g c 3 L 4 DA DB DCDA 1/22 2+1 DA DC 3/22 x 2+19： 1,由于n2D -32P和n2D -32P谱线相距很近，很难分开，所以看到的还是双重33532222结构，强度为1： 2，由实验谱线图看出，符合这一结果。对实验改进的建议：1、钠灯的能量不够大，影响光谱分析的准确度、精密度和检出限，要精准测量需要电 感耦合高频等离子体（ICP）作为光源，具备以下优点：具有良好的检出限；稳定性好，精 密度高；基体效应小；选择合适的观测高度光谱背景小；准确度高，相对误差为1%；自吸 效应小。2、平面型光栅精度尚可，但是光学器件太多使得光的吸收和反射损失较大，推荐使用 光电直读光谱仪，色散系统使用的是凹面光栅。参考文献：近代物理实验（第三版）吴思诚 王祖铨主编 高等教育出版社近代物理实验张天喆董有尔主编科学出版社
