多功能光栅光谱仪的使用及实验 -PPT课件
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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。
实验原理
（一）氢与氘原子光谱：
巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为：
H
364.56
MD m
wk.baidu.com
H
M H M H (D H D m M H )
式中 m M H 1/1836.1527 是已知值。
注意，式中各 是指真空中的波长。
同一光波，在不同介质中波长是不同的。
我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中 的波长转换成真空中的波长。但在实际测量当中，受 所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。
氢的特征谱
紫外部分：
赖曼系：
1
RH
1 ( 12
1 ), n 2,3,4 n2
可见光部分：巴尔末系：
1
R
H
(
1 22
1 ), n n2
3,4,5
红外部分：
帕邢系：
1
1 RH (32
1 n2 ), n
4,5,6
布喇开系：
1
RH
1 (42
1 n2
), n
5,6,7
蓬得系：
1
1 RH (52
1 ), n
G O l P ¦Υ N
B
图2-2 正弦机构原理
x
本仪器主要做发射光谱实验！
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。
n2 n2
4
nm
式中 H为氢光谱线的波长，取3、4、5等整数。
若改用波数表示谱线，由于 1
则上式变为 ~ 109678 ( 1 1 )cm1
22 n2
式中109678cm-1叫氢的里德伯常量。
由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为：
~A
1 RA[ (n1 z)2
1 (n2 z)2
1
光电信号
步进电机 驱动脉冲
步进电机 驱动电源
步进电机控制信号
3 1
2
前置放大器
负高压
负高 压电源
负高压 控制信号
/
/
变换 变换
增益控制信号
放大的 光电信号
系统控制信号 光谱数字信号
电子计算机
光谱仪的工作原理图
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。
n2
6,7,8
汉弗莱斯系：
1
RH
(
1 62
1 n2
),
n
7,8,9
钠光谱实验
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可 以表示为两项差
n
R n*2
其中 n* 为有效量子数，当 n*无限大时， n ,
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。
所以
RA
1
R mM
A
应用到H和D有：
RH
R 1 m MH
RD
R 1 m MD
可见RD和RH是有差别的，其结果就是D的谱线相对于H
的谱线会有微小位移，叫同位素位移。
H , D 是能够直接精确测量的量，测出 H , D
也就可以计算出RH , RD和里德伯常量 R ，
同时还可计算出D,H的原子核质量比：
为线系限的波数
钠原子光谱项
T=
R n*2
R (n
)2
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。
]
上式的
RA
2 2me4 (4 0 )2 ch3 (1 m
M A)
是元素A的理论里德伯常量，z是元素A的核电荷数，
n1,n2为整数，m和e是电子的质量和电荷，是真空介电
常量，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的
质量。
显然，RA随A不同略有不同，当MA→∞时，便得到里德 伯常量：
2 2me4 R (4 0 )2 ch3
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。
扫描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅 方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦 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改变 0.1nm。
多功能光栅光谱仪的使用
-氢（氘）、钠原子发射光谱的研究
一、原理
仪器设备
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。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置 （C-T）型，如图所示。
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
实验原理
（一）氢与氘原子光谱：
巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为：
H
364.56
MD m
wk.baidu.com
H
M H M H (D H D m M H )
式中 m M H 1/1836.1527 是已知值。
注意，式中各 是指真空中的波长。
同一光波，在不同介质中波长是不同的。
我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中 的波长转换成真空中的波长。但在实际测量当中，受 所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。
氢的特征谱
紫外部分：
赖曼系：
1
RH
1 ( 12
1 ), n 2,3,4 n2
可见光部分：巴尔末系：
1
R
H
(
1 22
1 ), n n2
3,4,5
红外部分：
帕邢系：
1
1 RH (32
1 n2 ), n
4,5,6
布喇开系：
1
RH
1 (42
1 n2
), n
5,6,7
蓬得系：
1
1 RH (52
1 ), n
G O l P ¦Υ N
B
图2-2 正弦机构原理
x
本仪器主要做发射光谱实验！
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。
n2 n2
4
nm
式中 H为氢光谱线的波长，取3、4、5等整数。
若改用波数表示谱线，由于 1
则上式变为 ~ 109678 ( 1 1 )cm1
22 n2
式中109678cm-1叫氢的里德伯常量。
由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为：
~A
1 RA[ (n1 z)2
1 (n2 z)2
1
光电信号
步进电机 驱动脉冲
步进电机 驱动电源
步进电机控制信号
3 1
2
前置放大器
负高压
负高 压电源
负高压 控制信号
/
/
变换 变换
增益控制信号
放大的 光电信号
系统控制信号 光谱数字信号
电子计算机
光谱仪的工作原理图
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。
n2
6,7,8
汉弗莱斯系：
1
RH
(
1 62
1 n2
),
n
7,8,9
钠光谱实验
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可 以表示为两项差
n
R n*2
其中 n* 为有效量子数，当 n*无限大时， n ,
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。
所以
RA
1
R mM
A
应用到H和D有：
RH
R 1 m MH
RD
R 1 m MD
可见RD和RH是有差别的，其结果就是D的谱线相对于H
的谱线会有微小位移，叫同位素位移。
H , D 是能够直接精确测量的量，测出 H , D
也就可以计算出RH , RD和里德伯常量 R ，
同时还可计算出D,H的原子核质量比：
为线系限的波数
钠原子光谱项
T=
R n*2
R (n
)2
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。
]
上式的
RA
2 2me4 (4 0 )2 ch3 (1 m
M A)
是元素A的理论里德伯常量，z是元素A的核电荷数，
n1,n2为整数，m和e是电子的质量和电荷，是真空介电
常量，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的
质量。
显然，RA随A不同略有不同，当MA→∞时，便得到里德 伯常量：
2 2me4 R (4 0 )2 ch3
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。
扫描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅 方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦 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改变 0.1nm。
多功能光栅光谱仪的使用
-氢（氘）、钠原子发射光谱的研究
一、原理
仪器设备
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。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置 （C-T）型，如图所示。
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