鈉原子光譜的拍攝與分析

1、鈉原子光譜的拍攝與分析物理系 宮明 00004045試驗?zāi)康模和ㄟ^對鈉原子光譜的觀察、拍攝和分析，加深對堿金屬原子中外層電子與原子實(shí)相互作用以及自旋與軌道運(yùn)動的相互作用的了解。實(shí)驗器材：鈉光燈、光柵攝譜儀、光電倍增管、A/D接口、計算機(jī)和相應(yīng)軟件系統(tǒng)。實(shí)驗原理：1、 鈉原子光譜的線系：堿金屬原子只有一個價電子，所以和氫原子類似，但是由于價電子在原子實(shí)中貫穿的程度和引起原子實(shí)極化的程度與價電子的量子態(tài)有關(guān)，所以電子的能量與量子數(shù)n,l都有關(guān)。鈉原子光譜有四個線系：主線系：3SnP，有自吸收線，僅共振線在可見區(qū)漫線系：3PnD，譜線展寬明顯銳線系：3PnS，譜線比較清晰基線系：3DnF，全部在紅外

2、區(qū)2、 鈉原子光譜的雙重結(jié)構(gòu)：由于電子自旋和軌道運(yùn)動的相互作用使能級分裂，鈉原子光譜顯示出雙重結(jié)構(gòu)。主線系光譜線雙重結(jié)構(gòu)的兩個成分中短波成分與長波成分的強(qiáng)度比為2:1，而銳線系和漫線系則相反。實(shí)驗步驟：1、 打開光源、光電倍增管、計算機(jī)電源，進(jìn)入軟件界面，定標(biāo)光電管位置。2、 調(diào)整光源位置和單色儀的兩個狹縫寬度，初步測量300nm620nm間的譜線分布和相對強(qiáng)度。3、 調(diào)整光源位置，分別測量記錄不同強(qiáng)度的各個譜線，依據(jù)共振線定標(biāo)。4、 記錄各個譜線的位置、強(qiáng)度、特點(diǎn)等數(shù)據(jù)。5、 退出軟件系統(tǒng)，關(guān)閉所有儀器。數(shù)據(jù)處理：原始測量數(shù)據(jù)：（范圍：300nm620nm負(fù)高壓：6增益：6采集次數(shù)：10）譜

3、線位置/nm相對強(qiáng)度半值全寬/nm重要特點(diǎn)測量備注譜線證認(rèn)理論位置/nm330.72127.20.19僅看到單峰Na I3s-4p330.24330.30404.6737.9K I4s5p404.41404.9715.6404.72416.2561.3背景光Ar I(?)4s5p415.86416.8510.5背景光416.42418.5711.7背景光418.19419.4124.4背景光419.10420.0922.5背景光419.83420.3156.9背景光420.07425.527.8背景光425.12426.3421.7背景光425.94427.0015.9背景光426.63427

4、.5324.9背景光427.22430.3019.5背景光430.01433.7919.5背景光433.53434.8710.0背景光434.52439.347.8Na I3p8d439.00439.7011.7439.33449.8419.5Na I(?)3p7d449.42450.1335.2449.77466.8384.00.15Na I3p6d466.48467.19162.90.15466.86475.0926.4Na I3p7s474.79475.4746.4475.18498.20306.20.15相對光強(qiáng)Na I3p5d497.85498.61594.90.15498.2851

5、5.17158.50.14Na I3p6s514.88515.60313.30.14515.34568.47402.00.13相對光強(qiáng)Na I3p4d568.26569.05747.70.13568.82589.00994.40.08吸收線相對光強(qiáng)發(fā)射峰位置：588.92589.51Na I3s3p589.00589.60965.30.08吸收線589.59615.39343.80.11相對光強(qiáng)Na I3p5s615.42616.13672.80.13616.07定標(biāo)誤差曲線：（用處見后面問題思考）對證認(rèn)了的Na的譜線的計算：線系波長（測量值平均）/nmlAnlnl躍遷Anl主線系589.30

6、-4156631.383s3p24597330.720.88783s-4p11329漫線系568.76-2447230.8823p4d6340.9498.400.0077023p5d3858.8467.010.0098993p6d2510.2449.980.0044173p7d1699.8439.520.018783p8d1170.9銳線系615.76-2255931.803p5s7682.9515.381.35053p6s4519.8475.281.34953p7s2882.8能級數(shù)據(jù)表格：量子態(tài)3s2s(H)3p(平均)3s(H)4p能量-41566-27434-23923-12193-1

7、1329量子態(tài)5s4s(H)4d6s5s(H)能量-7682.9-6859-6340.9-4519.8-4389量子態(tài)5d6s(H)7s6d7s(H)能量-3858.8-3048-2882.8-2510.2-2240量子態(tài)8s(H)7d9s(H)8d能量-1715-1699.8-1355-1170.9能級圖：對于3p軌道有效電荷的計算：而用雙重結(jié)構(gòu)的波數(shù)差計算：光譜線波數(shù)差/nm波數(shù)差平均/nm3s3p0.600.53751.49293p5s0.743p6s0.433p7s0.38問題思考：1、 在光路的設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)把狹縫盡量放小，而光源在需要時可以盡量接近狹縫，使得在保證光強(qiáng)的同時盡量使單色

8、儀的分辨率提高。2、 可以通過把光源移近和拉遠(yuǎn)兩次掃描并對比所得光譜，來得到每條光譜線的來源信息：如果來自于鈉光燈，則光源移近后增強(qiáng)明顯，反之則為雜散光（普通日光燈也是發(fā)射線）。3、 共振線在彌散較強(qiáng)烈的發(fā)射線背景上有一條吸收線。在得到的光譜曲線上可以看到兩條線上各自有一個吸收峰，位置偏于長波方向。我猜想，在鈉光燈中，灼熱的鈉蒸汽部分為發(fā)射區(qū)，而周圍較冷的部分為吸收區(qū)，由于熱運(yùn)動造成的致寬不同，使發(fā)射線較寬，而吸收線較窄。4、 通過測量各個主要譜線的半值全寬，發(fā)現(xiàn)使用這套儀器較難（用半值全寬為標(biāo)度）分辨出漫線系和銳線系。5、 儀器出廠標(biāo)準(zhǔn)很可能和標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)不符。在機(jī)械裝置的累積誤差的影響下，多次

9、掃描的誤差可以慢慢積累到很大的數(shù)值。但是積累的過程基本上是線性的。6、 使用的軟件的標(biāo)度校準(zhǔn)并不是簡單線性的，而是基于200nm（好像是機(jī)械部分的一個端點(diǎn)，每次開機(jī)時會提示是否在此點(diǎn)處校準(zhǔn)）和某個用戶選定的點(diǎn)（589.0nm）非線性插值得到的。這個通過前面畫出的定標(biāo)誤差曲線看出來：誤差在589nm左右很小，向兩方變大，而在300nm處明顯回落，可以想象在更短波的位置上（200nm）誤差可以很小。7、 在可以查詢光譜線數(shù)據(jù)。8、 光譜線的證認(rèn)很難，尤其是背景光部分。我原以為可能更多的是Hg的譜線，但是幾乎沒有找到（Hg的譜線大多在紫外區(qū)），應(yīng)該大部分是燈管壁上的熒光粉的發(fā)射線，但是熒光粉的成分太

10、復(fù)雜，我很難找到和證認(rèn)。另外很奇怪的是居然Ar的一些光譜線剛好和測到的譜線相符合，但是從定標(biāo)誤差曲線來看，可能這些證認(rèn)是不正確的，因為在明顯是鈉譜線的部分誤差曲線相對比較平滑，而這一部分認(rèn)定為Ar后很雜亂，誤差也較大，尤其是雙峰的間距符合得不太好，而且我不清楚日光燈管內(nèi)是否充有Ar氣，所以雖然很巧合，但估計應(yīng)該不是Ar。另外，在我的意料之中，404nm處果然是鉀的共振線，在作實(shí)驗時我就注意到它的兩個峰強(qiáng)度比例與大多數(shù)譜線相反，而與鈉的主線系相同，所以有此猜測。這里的鉀應(yīng)該是鈉光燈中的雜質(zhì)。9、 雖然老師提到共有6條鈉的譜線，但是很多很強(qiáng)的譜線的確和一些鈉的標(biāo)準(zhǔn)譜線非常接近，除了在表格中標(biāo)記了問號的一個和最后一個以外，其他的譜線的位置、相對強(qiáng)度、雙峰間距等都符合得非常好。通過誤差曲線看來，標(biāo)記了問號的一個和最后一個譜線雙峰的距離差與標(biāo)準(zhǔn)符合得不夠好（相對強(qiáng)度等還是對的），但是這些譜線在后面的計算中非常自恰，讓我有理由認(rèn)為它們就是鈉的譜線。所以共認(rèn)定了10對（其中第一個雙峰比較難以區(qū)分，另外所有的復(fù)雙重線都看不出來）屬于鈉的譜線。10、 在計算量子缺中，我發(fā)現(xiàn)有時候量子缺過大，甚至超過1，這一度令我懷疑