1- 氢钠光谱

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1、1-2氢、钠原子光谱引言研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现。原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年末，巴尔末（J.J.Balmer）根据人们的观测数据，总结出了氢光谱线的经验公式。1913年2月，玻尔（N.Bohr）得知巴尔末公式后，3月6日就寄出了氢原子理论的第一篇文章，他说：“我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就清楚了。”1925年，海森伯（W.Heisenberg）提出的量子力学理论，更是建筑在原子光谱的测量基础之上的。现在，原子光谱的观测研究，仍然是研究原子

2、结构的重要方法之一。20世纪初，人们根据实验预测氢有同位素，1919年发明质谱仪后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家由各种化合物测得为1.00799。基于上述微小的差异，伯奇（Birge）和门泽尔（Menzel）认为氢也有同位素2H（元素左上角标代表原子量），它的质量约为1H的2倍，据此他们算得1H和2H在自然界中的含量比大约为4000：1。由于里德伯（J.R.Rydberg）常量和原子核的质量有关，因此，2H的光谱相对于1H的应该会有位移。1932年，尤雷（H.C.Urey）将3L液氢在低压下细心蒸发至1mL以提高2H的

3、含量，然后将这1mL液氢注入放电管中，用它拍得的光谱，果然出现了相对于1H移位了的2H的光谱，从而发现了重氢，取名为氘，化学符号用D表示。由此可见，对样品的考究，实验的细心，测量的精确，于科学进步非常重要。随着人类的进步和科学技术的不断发展，特别是上世纪末计算机的普遍应用，再加上光电接收和CCD技术的出现和完善，使得传统的光谱底片拍摄技术可以由计算机和光电接收或CCD技术结合来实现。省却了原来繁琐的测量及计算，使实验也变得更加简单和易于操作。预习思考1．氢光谱含有相互独立的五个光谱线系，它们产生的规律及名称是什么？哪个线系位于可见光区？2．光谱同

4、位素位移与氢氘原子里德伯常数的差异之间有什么联系?3．如何通过测量出的氢氘光谱线计算里德伯常数？4．钠原子光谱的4个线系是怎么产生的？通常所说的钠原子的双黄线是什么？各谱线的相对强度是怎么计算出来的？实验目的1．了解平面光栅摄谱仪及组合式多功能光栅光谱仪的构造，掌握摄谱和采谱方法。2．加深对氢、钠原子光谱规律和同位素位移的认识；了解钠原子光谱各谱线相对强度的计算方法。3．学会用“线性内插法”求未知波长。4．学会通过原子光谱的观察和测量，了解原子结构的方法；了解精密测量的意义。实验原理一、氢与氘原子光谱1．氢、氘原子光谱1885年，巴尔末发现了氢原

5、子光谱的规律，特别是位于可见光区的四条Hα，Hβ，Hγ和Hδ谱线，其波长可以很准确的用经验公式（巴尔末公式）来表示。(1.2.1)8式中，为一常数，n＝3，4，5，6时，分别给出了氢光谱中的Hα，Hβ，Hγ和Hδ谱线的波长，其结果与实验结果一致。1896年里德伯引用波数的概念将巴尔末经验公式改写成如下形式：(1.2.2)式中H是波数，RH＝1.09678×105cm-1，是氢的里德伯常数。此式完全是从实验中得到的经验公式，然而它在实验误差范围内与测定值的符合是非常惊人的。由玻尔理论或量子力学得出的氢原子和类氢离子光谱各线系每条谱线的波数为：(1.

6、2.3)式中的是元素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；ε0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：(1.2.4)这与玻尔原子理论（即电子绕不动的核运动）所推出的R值完全一样。里德伯常数R是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上有重要意义，它的公认值为：R=109737.31568549cm-1。由此可见应用到氢、氘元素有(1.2.5)可见RH和RD是有差别的，其结果就是氘的谱线相对于氢的谱线会有微小位移

7、，叫同位素位移。λH，λD是能够直接精确测量的量，测出λH，λD，就可以算出氘，氢的原子核质量比(1.2.6)式中m/MH=1/1836.1527是已知值，进而也可以计算出RH，RD和里德伯常量R。需要注意，式(1.2.6)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，受所用实验仪器的精度限制，这种变化往往可以忽略不计。2．波长的测量与计算光栅光谱的特点及线性内插法：波长无法直接测量，需要寻找一个与波长有关又能直接测量的量。光栅摄谱仪的色散率dλ

8、/dl几近常数，两谱线波长差和距离成正比，这一特点将谱线的波长和谱线的坐标联系在一起，谱线在谱片上的坐标正是一个与波长有关又能直接测量的