10实验十 用光谱仪观测原子光谱

实验八用光谱仪观测原子光谱光波是由原子内部运动的电子受激发后由较高能级向较低能级跃迁产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。每种元素的原子都有一定的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。原子光谱按波长的分布规律反映了原子的内部结构，每种原子都有自己特殊的光谱系列。通过对原子光谱的研究可了解原子内部的结构，或对样品所含成分进行定性和定量分析。

一、实验目的

1. 观察原子发射光谱。

2. 了解光谱仪的构造原理和使用方法。

3. 测量谱线波长。

二、实验仪器

汞灯、钠光灯、自准直型光谱仪等。

三、实验原理

物质的原子只能处在一系列不连续的能量状态。在这种状态中，原子不辐射电磁波，称为定态（稳定状态），其相应的能量分别以E1、

E2、E3……（设E1＜E2＜E3＜……）表示。在常温常压下，原子绝大多数处于最低能态E1（又称基态）。当它受到热、电、光等各种形式能量的激励时，原子吸收E i－E j (i=2，3，4，……)能量，由基态跃迁到较高能态E i；当原子从激发态E i跃迁到较低能态E j时便发射单色光，其波长(频率)决定于关系式

（30-1）其中h为普朗克常数，

为单色光频率，

为此单色光在真空中的波长，C为真空中光速。

不同种类的原子所能存在的能量状态是不同的，它们受激发后所发射的光谱也各不相同，不同的光谱表征了不同原子的特征，故称原子光谱为原子特征光谱。

各种原子发射的是复色光，从复色光分解得到原子特征光谱要借助于光谱仪。凡能将复色光按不同波长分开的光学仪器统称为光谱仪。光谱仪一般由下列三部分组成：入射狭缝、色散系统（棱镜、光栅）和适当的光学成像系统。如图30-1所示，光源照亮的狭缝S位于准直镜L1的焦平面上。准直镜使从狭缝每一点射来的光都成为平行光，并以中心波长对应最小偏向角的条件入射到色散棱镜P的一个折射面上。棱镜P使不同波长的光以不同的角度偏折，使复色光色散。物镜L2把经色散后以不同偏角射来的平行光分别聚焦在主焦平面FF′上，形成了狭缝S的一系列按波长顺序排列的单色像，这就是所谓的“光谱”。如果在焦平面FF′后适当的地方装一个目镜，就可用目视法观测光谱。

图30-1

图30-2是自准直型光谱仪的光路图。光源O发出的光经过全反射转向棱镜1投射到聚光透镜2上。聚光透镜2将光线会聚在狭缝3上，狭缝3处于透镜4（既是准直镜又是成像物镜）的焦平面上。所以光线经透镜4后变为平行光束射到色散棱镜5，6上。色散棱镜6的长直角边面是涂银的，光线由该反射面反射回来，重新通过色散棱镜6和5。因此棱镜5，6相当于三块等边三棱镜，其色散作用增大了一倍。经上述系统色散的光再经透镜4成像于其焦平面上。为便于观察，由转向棱镜7使光线反

转180°在目镜8之前成像，再经目镜8放大后成为目视光谱。该仪器上有一个鼓轮，它的旋转可使色散棱镜6绕垂直于纸面的轴转动，使不同波长的谱线呈现在目镜前。鼓轮上刻着均匀的刻度，鼓轮旁有一条固定的纵分线指示鼓轮读数。不同读数对应棱镜6的不同位置，并使相应谱线呈现于目镜标志针处。波长λ与鼓轮读数d的关系曲线称为该光谱仪的定标曲线，凭这条定标曲线，就可以用这台光谱仪来测定各条谱线的波长。

1—全反射转向棱镜 2—聚光透镜 3—狭缝 4—准直镜（或成像物镜）5—等边色散棱镜 6—直角色散棱镜 7—转向棱镜 8—目镜

图30-2

四、实验步骤

1. 作出光谱仪的定标曲线

（1）点亮汞灯，使光谱仪窗口对准汞灯。

（2）转动鼓轮，使光谱仪视场中呈现汞的较明亮的谱线。

（3）调节全反射转向棱镜，使从目镜中看到的视场最亮。

（4）调节目镜，使视场中看到的谱线最清晰。

（5）转动鼓轮，对照附录一谱线强度和图30-3及图30-4观察所有的汞谱线（至少17条）。从汞的可见光特征光谱的最小（或最大）波长的谱线起单向地转动鼓轮，使目镜内的标志针依次对准各条谱线，记下鼓轮上对应的读数d，以已知的汞光谱波长λ为纵坐标，对应鼓轮读数d为横坐标，在坐标纸上描出一条定标曲线。

2. 测光谱线波长

将光源换为钠光灯。如上调节使视场最明亮，谱线最清晰、单向（方向与测汞谱线时相同）转动鼓轮，用目镜内的标志针对淮钠的红色双线，黄色双线和绿色双线，记下对应的鼓轮读数。利用定标曲线求出钠的上述6条特征谱线的波长。

五、数据记录与处理

1. 定标曲线数据

表30-1

鼓轮读数d(格)

鼓轮读数d(格)

2. 测光谱线波长数据

表30-2

鼓轮读数d(格)

六、思考题

1. 根据哪些特征判断观察到的某谱线其所对应的波长?

2. 为保证测量数据的有效数字不致因作图而减少，应采用多大的坐标纸?

附录一汞原子的可见光谱(括号内数字为该谱线的相对强度)

红色谱线绿色谱线

708.2nm (125) (人眼对此波长不敏感) 567.6 nm (80) 690.7nm (125) 546.1 nm (2000)

黄色谱线 504.6 nm (15)

589.0 nm (40) 502.6 nm (15)

587.2 nm (10) 497.4 nm (80)

585.9 nm (30) 491.6 nm (50)

580.4 nm (20) 蓝色谱线

579.0 nm (1500) 435.8 nm (500)

577.0nm (200) 434.7 nm (50)

紫色谱线 433.9 nm (20)

407.8 nm (150)

404.7 nm (300)

如图30-3所示，其中有五条谱线最亮，它们是：

579.0 nm ，577.0 nm ，546.1 nm ，435.8 nm ，404.7 nm

图30-3 水银灯光谱图