钠原子光谱的拍摄与分析.doc

钠原子光谱的拍摄与分析物理系 宫明 00004045试验目的： 通过对钠原子光谱的观察、拍摄和分析，加深对碱金属原子中外层电子与原 子实相互作用以及自旋与轨道运动的相互作用的了解实验器材：钠光灯、光栅摄谱仪、光电倍增管、A/D接口、计算机和相应软件系统实验原理：1、钠原子光谱的线系： 碱金属原子只有一个价电子，所以和氢原子类似，但是由于价电子 在原子实中贯穿的程度和引起原子实极化的程度与价电子的量子态有关 所以电子的能量与量子数 n,l 都有关钠原子光谱有四个线系：主线系：3S—nP，有自吸收线，仅共振线在可见区漫线系：3P—nD，谱线展宽明显锐线系：3P—nS，谱线比较清晰基线系：3D—nF，全部在红外区2、钠原子光谱的双重结构： 由于电子自旋和轨道运动的相互作用使能级分裂，钠原子光谱显示 出双重结构主线系光谱线双重结构的两个成分中短波成分与长波成分的 强度比为 2:1，而锐线系和漫线系则相反实验步骤：1、 打开光源、光电倍增管、计算机电源，进入软件界面，定标光电管位置2、 调整光源位置和单色仪的两个狭缝宽度，初步测量 300nm—620nm 间的谱 线分布和相对强度3、 调整光源位置，分别测量记录不同强度的各个谱线，依据共振线定标。

4、 记录各个谱线的位置、强度、特点等数据5、 退出软件系统，关闭所有仪器数据处理：原始测量数据：范围： 300nm—620nm负高压： 6增益： 6采集次数： 10)谱线位 置 /nm相对强 度半值全 宽/nm重要特点测量备注谱线证 认理论位 置 /nm330.72127.20.19仅看到单 峰Na I3s--4p330.24330.30404.6737.9K I4s一5p404.41404.9715.6404.72416.2561.3二i匕冃.、【/冃景光Ar 1(?)4s一5p415.86416.8510.5二i匕冃.、【/冃景光416.42418.5711.7二i匕冃.、【/冃景光418.19419.4124.4二i匕冃.、【/冃景光419.10420.0922.5二i匕冃.、【/冃景光419.83420.3156.9二i匕冃.、【/冃景光420.07425.527.8二i匕冃.、【/冃景光425.12426.3421.7二i匕冃.、【/冃景光425.94427.0015.9二i匕冃.、【/冃景光426.63427.5324.9二i匕冃.、【/冃景光427.22430.3019.5二i匕冃.、【/冃景光430.01433.7919.5二i匕冃.、【/冃景光433.53434.8710.0二i匕冃.、【/冃景光434.52439.347.8Na I 3p—8d439.00439.7011.7439.33449.8419.5Na I(?)3p—7d449.42450.1335.2449.77466.8384.00.15Na I 3p—6d466.48467.19162.90.15466.86475.0926.4Na I3p—7s474.79475.4746.4475.18498.20306.20.15相对光强Na I 3p—5d497.85498.61594.90.15498.28515.17158.50.14Na I3p一6s514.88515.60313.30.14515.34568.47402.00.13相对光强Na I 3p一4d568.26569.05747.70.13568.82589.00994.40.08吸收线相对光强 发射峰位置：588.92589.51Na I3s—3p589.00589.60965.30.08吸收线589.59615.39343.80.11相对光强Na I3p一5s615.42616.13672.80.13616.07定标误差曲线：用处见后面问题思考）对证认了的 Na 的谱线的计算：线系波长（测量值平均）/nm△lAn'l'n△l'跃迁Anl主线系589.30——4156631.383s—3p24597330.720.88783s--4p11329漫线系568.76——2447230.8823p一4d6340.9498.400.0077023p—5d3858.8467.010.0098993p—6d2510.2449.980.0044173p—7d1699.8439.520.018783p—8d1170.9锐线系615.76——2255931.803p一5s7682.9515.381.35053p一6s4519.8475.281.34953p—7s2882.8能级数据表格：量子态3s2s(H)3p（平均）3s(H)4p能量-41566-27434-23923-12193-11329量子态5s4s(H)4d6s5s(H)能量-7682.9-6859-6340.9-4519.8-4389量子态5d6s(H)7s6d7s(H)能量-3858.8-3048-2882.8-2510.2-2240量子态8s(H)7d9s(H)8d能量-1715-1699.8-1355-1170.9-5000 -■7s"Fis-1 0000 --1 5000 -能级图：4dL 言HI-20000 --25000 -3p-30000 --35000 --40000 -对于 3p 轨道有效电荷的计算nZ * = = 1.0034b n - Al而用双重结构的波数差计算：光谱线波数差/nm波数差平均/nmZ *s3s—3p0.603p一5s0.740.53751.49293p一6s0.433p—7s0.38问题思考：1、在光路的设计上，应当把狭缝尽量放小，而光源在需要时可以尽量接近狭 缝，使得在保证光强的同时尽量使单色仪的分辨率提高。

2、可以通过把光源移近和拉远两次扫描并对比所得光谱，来得到每条光谱线 的来源信息：如果来自于钠光灯，则光源移近后增强明显，反之则为杂散 光（普通日光灯也是发射线）3、共振线在弥散较强烈的发射线背景上有一条吸收线在得到的光谱曲线上 可以看到两条线上各自有一个吸收峰，位置偏于长波方向我猜想，在钠 光灯中，灼热的钠蒸汽部分为发射区，而周围较冷的部分为吸收区，由于 热运动造成的致宽不同，使发射线较宽，而吸收线较窄4、通过测量各个主要谱线的半值全宽，发现使用这套仪器较难（用半值全宽 为标度）分辨出漫线系和锐线系5、仪器出厂标准很可能和标称标准不符在机械装置的累积误差的影响下， 多次扫描的误差可以慢慢积累到很大的数值但是积累的过程基本上是线 性的6、 使用的软件的标度校准并不是简单线性的，而是基于200nm （好像是机械 部分的一个端点，每次开机时会提示是否在此点处校准）和某个用户选定 的点（589.0nm）非线性插值得到的这个通过前面画出的定标误差曲线看 出来：误差在 589nm 左右很小，向两方变大，而在 300nm 处明显回落，可 以想象在更短波的位置上（200nm ）误差可以很小7、 在 可以查询光谱 线数据。

8、 光谱线的证认很难，尤其是背景光部分我原以为可能更多的是Hg的谱线， 但是几乎没有找到（Hg的谱线大多在紫外区），应该大部分是灯管壁上的 荧光粉的发射线，但是荧光粉的成分太复杂，我很难找到和证认另外很 奇怪的是居然Ar的一些光谱线刚好和测到的谱线相符合，但是从定标误差 曲线来看，可能这些证认是不正确的，因为在明显是钠谱线的部分误差曲 线相对比较平滑，而这一部分认定为Ar后很杂乱，误差也较大，尤其是双 峰的间距符合得不太好，而且我不清楚日光灯管内是否充有Ar气，所以虽 然很巧合，但估计应该不是Ar另外，在我的意料之中，404nm处果然是 钾的共振线，在作实验时我就注意到它的两个峰强度比例与大多数谱线相 反，而与钠的主线系相同，所以有此猜测这里的钾应该是钠光灯中的杂 质9、 虽然老师提到共有 6 条钠的谱线，但是很多很强的谱线的确和一些钠的标 准谱线非常接近，除了在表格中标记了问号的一个和最后一个以外，其他 的谱线的位置、相对强度、双峰间距等都符合得非常好通过误差曲线看 来，标记了问号的一个和最后一个谱线双峰的距离差与标准符合得不够好（相对强度等还是对的），但是这些谱线在后面的计算中非常自恰，让我有 理由认为它们就是钠的谱线。

所以共认定了10对（其中第一个双峰比较难 以区分，另外所有的复双重线都看不出来）属于钠的谱线10、 在计算量子缺中，我发现有时候量子缺过大，甚至超过 1，这一度令我 怀疑是做错了（如果是对的话，如果我事先不知道主量子数，就很难确定 主量子数）但是后来换用 matlab 直接解方程，得到的结果类似，而且后 面的计算也是自恰的，所以只好把这个结论先承认下来11、 有三个途径计算出了 3p轨道的能级，误差不算太大，我在后面的计算中 取了加权平均12、 由于可观测谱线范围的限制，能级图只包含3s到8d的一部分能级。