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1、实验 21 钠原子光谱的测定一、目的要求1用棱镜摄谱仪摄取钠原子在可见紫外区的发射光谱，计算钠原子几个激发态谱项能级的 能量。2通过实验了解棱镜摄谱仪的基本构造和摄谱、显影、定影的基本操作，认识原子光谱与 原子整体运动状态的关系。、原理光谱是物质对某些波长（或频率）的光波发生作用后，所得到的反映光的波长（或频 率）分布变化的图谱。根据作用物质的不同光谱分为分子光谱和原子光谱。对于原子光谱而 言一般又可分为吸收光谱和发射光谱。吸收光谱是以已知的光源照射基态原子蒸气，研究光 源中特征谱线被试样部分吸收后所得图谱。发射光谱则是以某种能量（光照、加热等）激发 物质使其放出某些特定波长的光，将此光经棱镜
2、或光栅分解后得到的是不连续的线状光谱 即发射光谱。本实验研究的是钠原子的发射光谱。人们很早就知道光谱是与物质的能量状态有关。原子是由原子核和电子所组成，电子 处于不同的轨道围绕原子核运动，原子的能量状态主要由电子所决定。当电子在不同的轨道 （能级）之间发生跃迁时，会吸收或发射出光子。原子一般情况下不会自发放出光子，必须 首先受到某种能量的激发，其中原子的外层电子吸收了外界能量后由能量较低的轨道跃迁到 能量较高的轨道，此时原子变得不太稳定，我们称之为激发态（气），原子会以光子的形式 释放部分能量，电子则回到一个能量较低的轨道，原子又重新变稳定了，此时为基态（E 根据玻尔频率条件原子发射的光子的频
3、率为：(21-1)用波数表示为：(21-2)二 E -电=E - Ehc hc 1 2式中h为普朗克常数，c和入分别是光的速度和波长。原子发射光谱中的每一条谱线的波数 E都对应于高低两项能量的差，而每项能量又和原子的某个能态相对应，一般帚或E称为hc光谱项。原子发射光谱实际上反映的是原子中各个电子轨道的排布情况，它是我们了解原子 结构的十分重要的手段。对于最简单的氢原子光谱，人们发现其波数可与主量子数n联系起来：n2n221-3)ij式中n., n.分别代表两个不同能态的主量子数，且nn.; R为里德堡常数。i j i j而对于比氢更为复杂的原子，其谱线波数不仅与主量子数n有关，还与角量子数1
4、,磁 量子数 m 等其它量子数有关。因为主量子数仅仅只与某个电子轨道能量有关，而在多电子 原子中，还存在着不同轨道之间，不同电子自旋运动之间以及轨道运动与自旋运动之间的相互作用，所以，原子光谱是原子整体运动状态的反映。一般我们用原子的自旋量子数S、角 量子数L、总量子数J来表示原子的光谱项，用符号表示为2s+iLj。由原子光谱实验人们发现，电子在不同能级之间跃迁，并不是随意的，而必须满足一 些条件，我们称之为光谱选律：(1) 产生跃迁的两个能态的自旋相同，即 S=0;(2) 两个能态的L相差为1,即4L=1; 两个能态的J相等或相差为1,即厶J=0或厶J=1。例如钠原子的发射光谱。钠原子的基态
5、电子组态为Ne3si，其激发态组态分别为:Nensi(n=4,5,6,); Nenpi(n=3,4,5,)；Nendi(n=3,4,5,)等。根据单电子跃迁条件，可将钠原子的发射 光谱划分为不同的线系:Ens1(n - As )2Enp1(n - Ap)2n3End1(n - Ad )2Enf1(n-Af )2n321-5)主线系:np 3s， n 3锐线系ns 3p，n3漫线系nd 3p，n 3基线系:nf3d，n3(21-4)钠原子光谱项的能量可用以下经验公式表示:式中R为里德堡常数，对于钠原子R等于109735cm-i;为厶s、Ap、Ad、Af主量子数n 的亏损值，它是由于电子的钻穿效应
6、所致。根据(214)式，将(215)代入(212)式得到主线系弋=Enp-E3sn 3锐线系 弋=E-En3ns3p漫线系& = E-En 3nd3p基线系 = E-En3(21-6)nf3d本实验所摄取的谱线系为锐线系和漫线系。、仪器和试剂WPL-2 型小型摄谱仪；简单比长仪；标准波长汞灯管；钠灯管；钟表。米吐尔；氢醌；无水Na2SO3；硼砂；结晶Na2S2O3；冰醋酸（30%）;硼酸；铝钾矶。四、实验步骤1摄谱仪调试将标准波长汞灯管插入灯座，并移至光栏前适当位臵。把摄影管中照相盒取下换上毛玻 璃板，打开曝光开关，使光束通过光栏板中间椭圆孔投射到狭缝处。摄谱仪的“选择” 开关臵“电弧”处，打
7、开电源，按下“启动”按钮，汞灯发光，在毛玻璃上观察光谱线 通过调试狭缝宽度和照相物镜焦距，直至看到亮而细的谱线为止。按下“停”按钮，关 闭电源。2装照相底片 在暗室中按摄谱照相盒的尺寸截取普通黑白胶卷一段装入照相盒中，使胶片的乳胶面对 曝光方向，将照相盒的插片叶门关紧，防止漏光。3摄谱摄标准汞谱线：摄谱仪的选择开关臵“电弧”处，光栏用中间椭圆孔，使用标准波长汞 灯管，打开电源，按下“启动”按钮，汞灯发光，拉开照相盒的插片叶门，曝光一分钟，关 闭插片叶门，按“停”按钮，关闭电源，将汞灯管取下。摄钠谱线：其操作方法与摄标准汞谱线基本相同。光栏改用最上椭圆孔，以钠灯管替 代汞灯管，曝光四十分钟，关闭
8、插片叶门，按“停”按钮，关闭电源，将照相盒取下。 4显影和定影将已配制的显影液和定影液分别盛入两只烧杯中。在暗室里，从照相盒中取出已摄谱 的胶片放入显影液中，显影15分钟（20Do然后从显影液中取出胶片，放入清水中洗净显 影液，再将胶片放入定影液中定影5分钟以上。取出胶片冲洗干净，晾干。5测量谱线的相对位臵将晾干的摄有谱线的胶片放在简单比长仪上测量标准汞谱线和钠谱线的相对位臵。底 片上谱线如图21-1所示。在图21-1中，上排为标准汞谱线，下排为钠谱线。测量标准汞谱 线7条和钠谱线5条，从左至右顺序测量，分别记录汞谱线和钠谱线，要求读数准确至小数 点后两位。例如标准汞谱线从左至右的读数为11.
9、87， 11.90， 12.29， 13.17， 14.57， 15.62， 15.75cm，其对应波长分别为 579.1, 577.0, 546.1, 491.6, 438.8，407.8, 404.7nm。图 21-1 标准汞谱线和钠谱线五、实验注意事项1所有摄谱及显影、定影工作必须在暗室进行，切勿让照明灯光、自然光照射底片2切勿碰撞、振动摄谱仪。摄谱时切勿按错按钮。六、数据处理1作工作曲线以标准汞谱线的波长（nm ）为纵坐标，以所测量各谱线的位置（cm）为横坐标，作出平滑的 工作曲线。2查出钠谱线的波长值由所测量钠谱线的位置（cm），在工作曲线上查出相应的波长值（nm）。本实验钠谱线的归
10、 属是：漫线系： 568.5， 498.1， 466.7nm锐线系： 515.1， 475.0nm3计算谱项能量由钠谱线的波长值计算谱项的能量。谱项是E4d，E5d，E6d和E6 ,已。根据（21-6 ）式 4d 5d 6d6s 7s得到计算公式：nd(or ns)=3p1九 nd ( ns )(21-7)式中 E = 24492.7c旷 13p4画出上述各谱项能级向E3能级跃迁的能级图3p5分别计算As，Ap，Ad的值根据（ 21-4）式得到计算公式：A s(A p ，(21-8)R 1A d)=n- - 2Ens(np,nd )七、思考题1原子光谱是原子什么状态反映，原因是什么？2. As
11、, Ap, Ad是什么值，其物理意义是什么？八、摄谱仪的基本原理和主要组成部分拍摄发射光谱的光谱仪称为摄谱仪，其关键性部件是将混合光分解为单色光的单色器 小型摄谱仪的光路如图21-2所示。光源（1）所发出的光经聚光透镜（2）在入射狭缝（3） 上成像，由此得到最大光强。入射光通过狭缝后照射到准直透镜（4）上。当狭缝正置于准 直透镜（4）的焦点时，入射光经准直透镜后成为平行光束投射到棱镜（5）上，棱镜（5） 将平行光束按不同波长分解成单色平行光，经照相物镜（6）将单色平行光聚焦，当照相胶 片（ 7）置于照相物镜（6）的焦点上时，摄谱后在底片上得到不同波长的狭缝像，即光谱。图 21-2 小型摄谱仪的
12、光路棱镜把平行混合光束分解成不同波长的单色平行光是根据折射光的色散原理。各向同性的透明物质的折射率与光的波长有关，其经验公式是(21-9)BCn=A+ +人2 九4式中 A、B、C 是与物质性质有关的常数。由（21-9）式可知，短波长光的折射率要大些， 例如一束平行入射光由、2、 3三色光组成，并且1 2 3,通过棱镜后分解成 三束不同方向的光，具有不同的偏向角 ，如图（21-3）所示。图21-3棱镜色散中波长入与偏向角的关系小型摄谱仪常用阿贝（Abbe）复合棱镜。它是由两个30角折射棱镜和一个45角全反 射棱镜组成，如图（21-4）所示。本实验中WPL-2小型摄谱仪的基本组成部分有：导轨，本
13、体，灯座，聚光透镜，光栏, 狭缝，准光管，棱镜旋转台，分光罩，出光管和摄影管等。光栏用来改变谱线的高度，可以进行三种谱线的比较实验。当光栏板上三条刻度线分 别与狭缝盖边相切时，表示光栏板上的三个椭圆孔分别相应移到狭缝的正前面。光栏板前还 有曝光开关，打开即通过入射光线；关闭就遮蔽了入射光线。曝光开关在摄谱时可控制摄谱 的时间，平时有防尘作用。在本实验中总是打开曝光开关，而用照相盒的插片叶门作为“曝 光开关”。狭缝用来限制入射光束，直接决定谱线的质量。狭缝由两片对称分合的刀片刃口组成， 其分合动作由刻度手轮操作，转动刻度轮上一个分度相当于狭缝宽度改变0.005mm，圈 为0.25mm。狭缝是摄谱
14、仪中最重要、最精密的机械部分，调试时应特别小心。棱镜旋转台用来旋转棱镜。当旋转波长刻度线鼓轮时，棱镜就绕一固定轴旋转，使光 谱线发生左右平移。棱镜放臵在平板上，用压板将棱镜压紧，并用分光罩将棱镜盖上，放臵 棱镜的平板用三只调整螺钉固定在转动板上。准光管是摄谱仪的光源入射部分，管的前端为狭缝，后端为准光镜。将狭缝调整到准 光镜的焦点上，固定其位臵。出射光管是平行光线经棱镜色散后的接收和聚焦部分。照相物座螺纹连接在套筒上。 通过调焦手轮使出射光管作前后移动，调焦幅度约为30mm，可由出射光管顶部的观察孔观 看调焦位臵并有指针标示。出射光管的另一端有一内圆定位孔放臵摄影管。九、参考文献1、徐光宪，王
15、祥云。物质结构。第二版。北京：高等教育出版社， 1987， 99103。2、周公度，段连云，结构化学基础。第二版。北京：北京大学出版社， 1989， 87100。3、复旦大学等。物理化学实验（上，下册），北京：人民教育出版社，1979， 138150， 222225十、附录 显影液和定影液的配制1D-76 显影液配制量取清水750m 1倾入1000ml烧杯中，加热至30C。称取无水亚硫酸钠100g，将其中 25g放入清水中。加入米吐尔（硫酸甲基对氨基苯酚）2g，氢醌（对苯二酚）5g。再加入 剩余的9598g无水Na2SO3，最后加入硼砂2g。搅拌，待上述物质溶完后加水至1000，移 至暗色瓶中保存备用。2定影液配制
