原子发射光谱

中国石油大学原子发射光谱实验报告成绩：班级：物理1302姓名：尹昊同组者：张栋、姜顺教师：周伟原子发射光谱测量实验【实验目的】1.了解光栅光谱仪的结构、原理。2.了解光电倍增管处理系统和CCD处理系统在光谱测量中的应用。3.研究钠原子光谱、氢氘光谱、汞光谱灯的光谱特性。【实验原理】光谱仪是能将白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。准光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射入射狭缝，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-珀罗干涉仪。本仪器的色散元件为光栅，所以称作光栅光谱仪。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像，即通常所看到的光谱图。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置（C-T）型，如图1所示。图1切尔尼-特纳光路图准直和成像的焦距是500nm，相对孔径1/7，光栅条数分别为2400l/mm和1200l/mm，闪耀波长为250nm。波长扫描机构是图2所示的正弦机构。图2正弦机构原理B¦ΥNPGOxl由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。其工作原理如图3所示。图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。【实验装置】光谱仪【实验内容】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。1．钠光谱实验光电信号前置放大器放大的光电信号增益控制信号系统控制信号光谱数字信号/变换/变换步进电机控制信号负高压控制信号负高压电源步进电机驱动电源负高压2131电子计算机步进电机驱动脉冲1．1实验原理：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。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n可以表示为两项差σn=σ-2*nR…（2）其中n为有效量子数，当n无限大时，n,为线系限的波数。钠原子光谱项T=*22()RRnn它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数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，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l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、l越小时，量子缺Δ越大（当n较小时，量子缺主要决定于l，实验中近似认为Δ与n无关）。钠原子光谱一般可以观察到四个谱线系。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589.3nm，其余皆在紫外区。由于自吸收的结果，所得钠黄线实际为吸收谱线。锐线系：相当于3s-np跃迁，n=3，4，5….其第一条谱线波长为818.9nm，其余皆在可见区域。锐张系强度较弱，但谱线边缘较清晰。漫线系：相当于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1139.3nm，其余皆在可见光区。基线系:3s-np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结构，其中主线系和锐线系是双线结构，漫线系和基线系是三线结构。各谱线系的波数公式为:主线系:22(3)()spRRn(n≥3)锐线系:22(3)()psRRn(n≥4)漫线系:22(3)()pdRRn(n≥3)基线系:22(3)()dfRRn(n≥4)（3）其中s,p,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。1．2实验方法：(1)实验仪器：WGD-8A多功能光栅光谱仪(2)光源：钠光灯(3)按使用说明书及操作程序绘出钠光谱图并检出其波长值。附:8A型多功能光栅光谱仪对钠光谱的实测谱线对图6钠光谱主线系图7钠原子能级图（4）实验目的：由钠原子光谱确定各光谱项值及能级值,量子缺Δ。1)光谱项值的确定由测得的同一线系各光谱线的波数1nn定出该线系的各光谱项T及线系限，同一线系的相邻谱线的波数分别为2/()nRn…（4）21/(1)nRn（5）相邻谱线的波数差22*2*21/()/(1)//(1)nnnRnRnRnRn（6）按上式可由相邻的波数差求得n,由此可求出各光谱项：*22()/()RTnRnn（7）的值。由：1、主线系（P）3S～npn=3，4，5…A：n=33S～3p5890A°5896A°B：n=43S～4p3302A°3303A°C：n=53S～5p2852.8A°2853A°……2、漫线系（D）3p-nDn=3，4，5…A：n=33p-3D8183A°8195A°B：n=43p-4D5682A°5688A°……3、锐线系（S）3p-nSn=4，5，6…A：n=43p-4S11383A°11404A°B：n=53p-5S6154A°6160A°C：n=63p-6S5149A°5153.7A°……4、基线系3D-nFn=4，5，6………*2/()nnRnTn（8）又可求出各线系的值。由式（6）直接解出n值比较繁,一般利用插值表。它是由*2()/TnRn及*2*2//(1)nRnRn的数值制出的.表中给出了n由1.00至10.98每隔0.02所对应的n与T(n)值。已知n也可查出对应的n及T(n)值。如果所得的n值不恰好与表中数据符合，可由附近的两个n值用线性插值法求出所测的n与T(n)值。2)由光谱项确定能级基态能级为Ehc（9）其它各激发态能级()nnEhc（10）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nma求出量子缺和n。或者由氢原子2/TRn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，*nn。（5）数据处理以图6给出的主线系的谱线为例：1）计算光谱项值：111212121(589.01589.61)/2589.3116969.00(330.23330.29)/2330.2630279.1730279.17nnmcmnmcmcm将此值代入（5）式，其中1111(1)1109737.31(1)231836109734.71eNaNamRRmcmcm*2*2//(1)nRnRn解此一元四次方程，得：*2.112n由式（6）得：(3)224497.00*RTn由式（7）：()116969.0024497.0041466.00nnTcm2）确定能级346.62610hjsA：基态能级：由（8）式得：jsE=-hc=-41466.00×6.63×3410js×3.00×1010/cms=-8.24evB:n=3激发态：3()nEhe=-6.63×3410×3.00×1010（16969.00-41466.00）=4.87ev4)计算量子缺（钠原子3p能级）：*nn3-2.117=0.883同理：可计算每一线系中相邻两条谱线的波数差，求出相应的*n与T（n）值，参考附表。如不解一元四次方程，也可用下述方法找出*n，然后进行数据处理。例如，由实验(图6)测得主线系3s→3p双线的平均波长1=589.31nm，波数1116969.00cm，3s→4p的双线平均波长330.26nm波数1230279.17cm,这两相邻谱线的波数差为113310.17cm。查里德伯表（见附表），113310.17cm，在表中介于13143.31与13464.67之间。13143.31的左侧为24416.45，对应于m=2，a=0.12，显然这就是3p的光谱项值，即1324416.45pTcm,有效量子数*3pn=2.12，13143.31的右侧为11273.14，对应于m=3，a=0.12，1411273.14pTcm,有效量子数4*3.12pn,13143.31为3*2.12pn与4*3.12pn两光谱项之差。同理，13143.31左侧为24883.74，对应的有效量子数*32.10pn，右侧为11419.07,对应的有效量子数*43.10pn,13464.67为*43.10pn与*32.10pn两光谱之差，因此，设实验测得的波数差13310.17为*1n与*2n两光谱项之差,则*1n介于2.10于2.12之间，*2n介于3.10与3.12之间，差别仅在于小数部分。利用线性插值法，得0.120.100.12(13310.1713143.31)0.1113464.6713143.31a因此**122.11,3.11nn，即**342.11,3.11ppnn由*nn可求得钠原子3p能级的量子缺。附:褚圣麟1979年编写的《原子物理学》中的钠的光谱项值和有效量子数供参考数据来源电子态n=345678Δ锐线系s,l=0T41444.915706.58245.85073.73434.92481.91.35n*1.6272.6433.6484.6515.6526.649主线系p,l=1T24492.711181.96408.94152.92908.92150.70.86n*2.1173.1334.1385.1416.1427.143漫线系d,l=2T12274.42897.54411.63059.822451720.10.01n*2.9903.9894.9875.9896.9917.987基线系f,l=3T6858.64388.