实验21钠原子光谱的测定

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1、实验21钠原子光谱的测定一、目的要求1．用棱镜摄谱仪摄取钠原子在可见紫外区的发射光谱，计算钠原子几个激发态谱项能级的能量。2．通过实验了解棱镜摄谱仪的基本构造和摄谱、显影、定影的基本操作，认识原子光谱与原子整体运动状态的关系。二、原理光谱是物质对某些波长（或频率）的光波发生作用后，所得到的反映光的波长（或频率）分布变化的图谱。根据作用物质的不同光谱分为分子光谱和原子光谱。对于原子光谱而言一般又可分为吸收光谱和发射光谱。吸收光谱是以已知的光源照射基态原子蒸气，研究光源中特征谱线被试样部分吸收后所得图谱。发射光谱则是以某种能量（光照、加热等）激发物质使其放出某些特定波长

2、的光，将此光经棱镜或光栅分解后得到的是不连续的线状光谱，即发射光谱。本实验研究的是钠原子的发射光谱。人们很早就知道光谱是与物质的能量状态有关。原子是由原子核和电子所组成，电子处于不同的轨道围绕原子核运动，原子的能量状态主要由电子所决定。当电子在不同的轨道（能级）之间发生跃迁时，会吸收或发射出光子。原子一般情况下不会自发放出光子，必须首先受到某种能量的激发，其中原子的外层电子吸收了外界能量后由能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，此时原子变得不太稳定，我们称之为激发态（E1），原子会以光子的形式释放部分能量，电子则回到一个能量较低的轨道，原子又重新变稳定了，此时为基态(

3、E2)。根据玻尔频率条件原子发射的光子的频率为：(21-1)用波数表示为：(21-2)式中h为普朗克常数，c和λ分别是光的速度和波长。原子发射光谱中的每一条谱线的波数都对应于高低两项能量的差，而每项能量又和原子的某个能态相对应，一般将或称为光谱项。原子发射光谱实际上反映的是原子中各个电子轨道的排布情况，它是我们了解原子结构的十分重要的手段。对于最简单的氢原子光谱，人们发现其波数可与主量子数n联系起来：（21-3）式中ni，nj分别代表两个不同能态的主量子数，且ni>nj；为里德堡常数。而对于比氢更为复杂的原子，其谱线波数不仅与主量子数n有关，还与角量子数l，磁量子数

4、m等其它量子数有关。因为主量子数仅仅只与某个电子轨道能量有关，而在多电子原子中，还存在着不同轨道之间，不同电子自旋运动之间以及轨道运动与自旋运动之间的相互作用，所以，原子光谱是原子整体运动状态的反映。一般我们用原子的自旋量子数S、角量子数L、总量子数J来表示原子的光谱项，用符号表示为2S+1LJ。由原子光谱实验人们发现，电子在不同能级之间跃迁，并不是随意的，而必须满足一些条件，我们称之为光谱选律：(1)产生跃迁的两个能态的自旋相同，即ΔS=0；(2)两个能态的L相差为1，即ΔL=±1；(3)两个能态的J相等或相差为1，即ΔJ=0或ΔJ=±1。例如钠原子的发射光谱。钠

5、原子的基态电子组态为[Ne]3s1，其激发态组态分别为：[Ne]ns1(n=4,5,6,…)；[Ne]np1(n=3,4,5,…)；[Ne]nd1(n=3,4,5,…)等。根据单电子跃迁条件，可将钠原子的发射光谱划分为不同的线系：主线系：np→3s，n≥3锐线系：ns→3p，n>3漫线系：nd→3p，n≥3基线系：nf→3d，n>3（21-4）钠原子光谱项的能量可用以下经验公式表示：n≥3n>3n≥3n>3（21-5）式中为里德堡常数，对于钠原子等于109735cm-1；为Δs、Δp、Δd、Δf主量子数n的亏损值，它是由于电子的钻穿效应所致。根据（21－4）式，将（

6、21－5）代入（21－2）式得到：主线系n≥3锐线系n>3漫线系n≥3基线系n>3(21-6)本实验所摄取的谱线系为锐线系和漫线系。三、仪器和试剂WPL-2型小型摄谱仪；简单比长仪；标准波长汞灯管；钠灯管；钟表。米吐尔；氢醌；无水Na2SO3；硼砂；结晶Na2S2O3；冰醋酸（30%）；硼酸；铝钾矾。四、实验步骤1．摄谱仪调试将标准波长汞灯管插入灯座，并移至光栏前适当位置。把摄影管中照相盒取下换上毛玻璃板，打开曝光开关，使光束通过光栏板中间椭圆孔投射到狭缝处。摄谱仪的“选择”开关置“电弧”处，打开电源，按下“启动”按钮，汞灯发光，在毛玻璃上观察光谱线。通过调试狭缝宽

7、度和照相物镜焦距，直至看到亮而细的谱线为止。按下“停”按钮，关闭电源。2．装照相底片在暗室中按摄谱照相盒的尺寸截取普通黑白胶卷一段装入照相盒中，使胶片的乳胶面对曝光方向，将照相盒的插片叶门关紧，防止漏光。3．摄谱摄标准汞谱线：摄谱仪的选择开关置“电弧”处，光栏用中间椭圆孔，使用标准波长汞灯管，打开电源，按下“启动”按钮，汞灯发光，拉开照相盒的插片叶门，曝光一分钟，关闭插片叶门，按“停”按钮，关闭电源，将汞灯管取下。摄钠谱线：其操作方法与摄标准汞谱线基本相同。光栏改用最上椭圆孔，以钠灯管替代汞灯管，曝光四十分钟，关闭插片叶门，按“停”按钮，关闭电源，将照相盒取下。