钠原子光谱

近

代物理实验

题目 钠原子光谱的观测与分析 班级 09物理

学号 09072053 姓名 张泽民 指导教师 余云鹏

钠原子光谱的观测与分析

研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现。原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年末，巴尔末（J.J.Balmer）根据人们的观测数据，总结出了氢光谱线的经验公式。1913年2月，玻尔（N.Bohr）得知巴尔末公式后，3月6日就寄出了氢原子理论的第一篇文章，他说：“我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就清楚了。”1925年，海森伯（W.Heisenberg）提出的量子力学理论，更是建筑在原子光谱的测量基础之上的。现在，原子光谱的观测研究，仍然是研究原子结构的重要方法之一。

20世纪初，人们根据实验预测氢有同位素，1912年发明质谱仪后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家由各种化合物测得为1.00799。基于上述微小的差异，伯奇

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（Birge）和门泽尔（Menzel）认为氢也有同位素H（元素左上角标代表原子量），它的质量

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约为H的2倍，据此他们算得H和H在自然界中的含量比大约为4000：1，由于里德伯

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（J.R.Rydberg）常量和原子核的质量有关，H的光谱相对于H的应该会有位移。1932年，

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尤雷（H.C.Urey）将3L液氢在低压下细心蒸发至1毫升以提高H的含量，然后将那1mL注入

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放电管中，用它拍得的光谱，果然出现了相对于H移位了的H的光谱，从而发现了重氢，取名为氘，化学符号用D表示。由此可见，对样品的考究，实验的细心，测量的精确，于科学进步非常重要。

二、【实验仪器】

1、WGD—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。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C-T型。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5nm。光源发出的光束进入入射狭缝S1,S1位于过反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上或S3上。 M2、M3 焦距500mm

光栅G 每毫米刻线2400条，闪耀波长250nm

波长范围200-660nm

相对孔径 D/F=1/7

-3

杂散光 ≤10

分辨率 优于0.06 nm 光电倍增管接收

（1）波长范围 200-660nm （2）波长精度 ≤ ±0.2nm （3）波长重复性 ≤ 0.1nm CCD（电荷耦合器件）

（1）接收单元 2048

（2）光谱响应区间 300-660nm （3）积分时间 88档 （4）重量 25kg

两块滤光片工作区间 白片 350-600nm

红片 600-660nm

光路图：

三、【实验原理】 （一）钠原子光谱 1、原子光谱的线系

碱金属原子只有一个价电子，价电子在核和内层电子组成的原子实的中心力场中运动，和氢原子有些类似。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，可以把光谱项表示为：

式中你n，l分别是主量子和轨道量子数，以把上式改写为：

是原子实的平均有效电荷，

>1。因此还可

（1-3-3）

△l是一个与n和l都有关的正的修正数，称为量子缺。理论计算和实验观测都表明，当n不是很大时，量子缺的大小主要决定l而随n变化不大，本实验中近似地认为△l与n无关。

电子由上能级（量子数为n,l）跃迁到下能级

发射的光谱线的波数由上式决定：

（1-3-4）

如果令n',l'固定，而n依次改变（l的选择定则为△l=±1），则得到一系列的v值，它们构成一个光谱线系。光谱中常用

这种符号表示线系。l=0,1,2,3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=4,5,6,?；

在各个线系中，式（1-3-4） 中的n',l'固定不变，称为定项，以变动项。因此（1-3-4）可写作

表示之；n,l项称为

（1-3-5）

其中

为常量，n=n’, n’+1, n’+2,? .

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。 2、钠原子光谱的双重结构

碱金属原子只具有一个价电原子，由于原子实的角动量为零（暂不考虑原子核自旋的影响），因此价电原子的角动量就等于原子的总角动量。对于S轨道（l=0）,电子的轨道角动量为零，总角动量就等于电子的自旋角动量，因此j只取一个数值，即j=1/2，从而S谱项只有一个能级，是单重能级。对于l≠0的p,d,f?轨道，j可取j=l±1/2两个数值，依次相应的谱项分裂双重能级，由于能级分裂，用式（1-3-2）表示的光谱项相应发生变化，根据量子力学计算结果，双重能级的项值可以分别表示为：

（1-3-6）

（1-3-7）

式中?n,l是只与n,l有关的因子，它等于：

（1-3-8）

式中

R

为里德伯常数，R=109737.312cm

-1

；a为精细结构常数，