多功能光栅光谱仪的使用及实验 -

由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为：
~ A RA [ 1 1 ] 2 2 (n1 z ) (n2 z )
上式的
2 2 me4 RA (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。
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： 可见光部分：巴尔末系：
红外部分： 帕邢系：

1
1 1

1
布喇开系：
1 RH ( 2 1 1 R H ( 2 2 1 RH ( 2 3 1 RH ( 2 4
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。
钠原子光谱项
R R T= *2 n (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。
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：
MD H m 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。
将光谱仪电压调到500 V左右，可见的光谱为 589.0nm、589.6nm。
3.观察氢——氘原子光谱并描绘测得的图象 ,利用 测得的数据值计算里德伯常数。 将光谱仪电压调到1000 V左右，可测的氢光谱为 410.17nm、434.05nm、486.13nm、656.28nm。 计算氢原子的里德波常熟，并计算D，H的原子核 质量比。
显然，RA随A不同略有不同，当MA→∞时，便得到里德 伯常量： 2 2 m e4 R (4 0 ) 2 ch3 所以
R RA 1 m M A
R 应用到H和D有： RH 1 m M H
R RD 1 m M D
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。
l 电子由上能级（量子数为 n ， ）跃迁到下能级（ n, l ）
发射的光谱线的波数由上式决定：

R R (n ) 2 (n l ) 2 l
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 值，它们构成一个光
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）。
n 2 S1 / 2
32 P3 / 2
32 P / 2 1
A
B

漫线系光谱是 32 P3 / 2,1/ 2 n 2 D5 / 2,3 / 2 (n 3,4,) 之间跃迁产生的，
这时上、下能级都是双重的。根据选择定则，漫线系应 该有三条谱线，分别记为 A , B , C ,但由于 B , C 相距很 近，通常无法分开，两个成分合二为一，其波长用 BC 表示，称为复双线结构。其短波成分和长波成分的强度 比为1：2. n2 D
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。
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：
n H 364.56 2 nm n 4
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
22Biblioteka n1
则上式变为 109678 ( 1 1 )cm 1 ~ 2 2 式中109678cm-1叫氢的里德伯常量。
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。
主线系光谱是 之间跃迁产生的， 其中上能级是双重的，下能级是单重的，因此，根据 选择定则，主线系是双重结构。其短波成分和长波成 分的强度比是2：1。
G O l P ¦Υ x N B
图2-2 正弦机构原理
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。 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。
5/ 2
n D3 / 2
2
32 P3 / 2
32 P / 2 1
A
B C

二、实验内容
1.利用汞原子光谱校正光谱仪 检查仪器，接通光谱仪及电脑、打印机电源， 将光谱仪电压调到500V左右，使狭缝宽度小于 0.10nm。接通汞灯电源，预热3分钟后测量。可 测光谱为365.01nm、365.46nm、366.32nm、 404.66nm、404.98nm、435.83nm、546.07nm、 576.89nm、579.07nm。 2.观察钠原子光谱并描绘测得的图象
n 2 P3 / 2
n2 P / 2 1
32 S1/ 2 n 2 P3 / 2,1/ 2 (n 3,4,)
32 S1 / 2
A
B

锐线系光谱是 32 S3 / 2,1/ 2 n 2 P / 2 (n 4,5) 之间跃迁产生的， 1 上能级是单重的，下能级是双重的。根据选择定则 ， 锐线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度 比是1：2。
三、注意事项
1.光电倍增管不宜受强光照射（会引起雪崩效应）， 因此测量时不要使入射光太强。 2.氢、氘光的谱线相隔很近，因此测量时要求灵敏度 最高（能量间隔0.01nm），电压接近1000伏；保持 室内安静。同时，由于氢、氘灯的电压很高（4000 伏左右），在使用过程中不要轻易触摸。 3.为了保证测量仪器的安全，在测量中不要任意切换 光电倍增管和CCD；入射狭缝的调节范围在2nm内， 若入射狭缝已经关闭就不要再逆时针旋动螺栓，以 免损坏狭缝。
谱线系。光谱中常用 n, l ， nl 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， 漫线系（D线系）：3P-nD, 锐线系（S线系）：3P-nS， 基线系（F线系）：3P-nF，
n=3,4,5,…； n=3,4,5,…； n=4,5,6,…； n=4,5,6,…；
1
光电信号
3
1
前置放大器
2
步进电机
驱动脉冲 负高压
增益控制信号
步进电机 驱动电源 负高 压电源
放大的
光电信号
负高压
控制信号
/
系统控制信号 变换 电子计算机
/
步进电机控制信号 变换 光谱数字信号
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。 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。
1 2 ), n 2,3,4 n 1 2 ), n 3,4,5 n 1 2 ), n 4,5,6 n 1 2 ), n 5,6,7 n
1 1 蓬得系： RH ( 2 2 ), n 6,7,8 5 n 1 1 汉弗莱斯系： RH ( 2 2 ), n 7,8,9 6 n 1
1
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
n* 为有效量子数，当 n*无限大时，n , 其中
为线系限的波数