鈉原子光譜實驗報告

1、成績評 定教師簽 名嘉應(yīng)學(xué)院物理系大學(xué)物理學(xué)生實驗報告實驗項目： 實驗地點： 班 級： 姓 名： 座 號： 實驗時間： 年 月 日物理與光信息科技學(xué)院編制 實驗預(yù)習(xí)部分 一、實驗?zāi)康模罕緦嶒炌ㄟ^對鈉原子光譜的觀察、拍攝與分析，加深對堿金屬原子的外層電子與原子實相互作用以及自旋與軌道運動相互作用的了解，在分析光譜線系和測量波長的基礎(chǔ)上，計算鈉原子的價電子在不同軌道運動時的量子缺，繪制鈉原子的部分能級圖二、實驗儀器設(shè)備：1用一般的玻璃棱鏡攝譜儀，可拍攝到可見光區(qū)的譜線；石英棱鏡攝譜儀和光柵攝譜儀則可拍攝到紫外、可見、紅外光區(qū)的全部譜線    2哈特曼光欄（見圖 ）是攝

2、譜儀的重要附件，利用光欄的A部分可以改變攝譜儀的狹縫高度；還可以利用哈特曼光欄B部分的三個小孔和固定底片盒, 并排拍攝鐵譜和鈉譜，以便測定鈉譜線的波長  3利用光譜投影儀或比長儀和鐵光譜標(biāo)準(zhǔn)圖對比，可以辨認及測量出鈉原子光譜各線系譜線的波長       4為了沖洗所拍攝的光譜底片，在暗房中備有整套的沖洗工具：定時鐘、顯影及定影藥水等     5里德伯表（見表） 三、實驗原理：在原子物理中，氫原子光譜的規(guī)律告訴我們：當(dāng)原子在主量子數(shù)n2與n1的上下兩能級間躍遷時, 它們的譜線波數(shù)可以用兩光譜項之差

3、表                                                   

4、60; ( )式中R為里德伯常數(shù) (109 677.58 cm-1 )當(dāng)n1= 2, n2= 3,4,5 ,則為巴爾末線系    對于只有一個價電子的堿金屬原子(Li，Na，K .)其價電子是在核和內(nèi)層電子所組成的原子實的庫侖場中運動, 和氫原子有點類似, 但是, 由于原子實的存在，價電子處在不同量子態(tài)時，或者按軌道模型的描述，處于不同的軌道時，它和原子實的相互作用是不同的因為價電子處于不同軌道時，它們的軌道在原子實中貫穿的程度不同，所受到的作用不同；還有，價電子處于不同軌道時，引起原子實極化的程度也不同，這二者都要影響原子的能量即使電子所處軌道的主量子

5、數(shù)n相同而軌道量子數(shù)l不同，原子的能量也是不同的，因此原子的能量與價電子所處軌道的量子數(shù)n、l都有關(guān)軌道貫穿和原子實極化都使原子的能量減少，量子數(shù)l越小，軌道進入原子實部分越多，原子實的極化也越顯著，因而原子的能量減少得越多與主量子數(shù)n相同的氫原子相比, 金屬原子的能量要小，而且不同的軌道量子數(shù)l對應(yīng)著不同的能量l值越小，能量越??；l越大，越接近相應(yīng)的氫原子的能級對于鈉原子，我們可以用有效量子數(shù)n* 代替n,來統(tǒng)一描述原子實極化和軌道貫穿的總效果若不考慮電子自旋和軌道運動的相互作用引起的能級分裂，可把光譜項表示為       

6、;                Tn1 = R / (n*2) = R / (n ?C l)2                   ()上式的l稱為量子缺；而n* 不再是整數(shù),由于l > 0,因此有效量子數(shù)n* 比主量子數(shù)n要小理論計算和實驗觀測都表明，當(dāng)n不很

7、大時，量子缺的大小主要決定于l，而與n的關(guān)系很小，在本實驗中近似認為它是一個與n無關(guān)的量由于由上能級躍遷到下能級時，發(fā)射光譜譜線的波數(shù)可用下式表示：            ()式中n2* 與n1* 分別為上、下能級的有效量子數(shù)，n、l與n、l分別為上下能級的主量子數(shù)與量子缺，式()以兩個光譜項之差的形式表達了鈉原子某一譜線的波數(shù)值, l及l(fā)分別為上、下能級所屬軌道量子數(shù)     如果令n, l固定, 而n依次改變(l的選擇定則為l ?C l = ±1),則

8、可得到一系列的值，從而構(gòu)成一個光譜線系在光譜學(xué)中通常用nl- nl這種符號表示線系, 當(dāng)l0, 1, 2, 3 時,分別以 S, P, D, F 表示鈉原子光譜有四個線系:    主線系(P線系)   3S nP   n3,4,5，               漫線系(D線系)   3P nD   n3,4,5，    

9、;                 銳線系(S線系)   3P nS   n4,5,6，           基線系(F線系)   3D nF   n4,5,6，      在各線系中，式()中n, l是不變的, 第一項稱為固定項

10、，以Anl表示； 第二項稱為可變項，因此式可寫成：                                             () &#

11、160;  鈉原子光譜具有堿金屬原子光譜的典型特征 ,一般可以觀測到四個光譜線系, 分析鈉原子譜線時, 可以發(fā)現(xiàn)以下幾點:    1主線系和銳線系都分裂成雙線結(jié)構(gòu)漫線系和基線系為三重結(jié)構(gòu) (要用分辨率較高的儀器方可分辨 )對于不同的線系，這種分裂的大小和各線的強度比是不同的，但它們都是有規(guī)律的，這稱為精細結(jié)構(gòu)這種精細結(jié)構(gòu)可用電子自旋與軌道耦合而引起能級分裂來解釋，本實驗不準(zhǔn)備作詳細研究    2主線系在可見光區(qū)只有一對共振線?即鈉黃線，其余都在紫外光區(qū)由于自吸收的結(jié)果，所得到的鈉黃線實際上是一對吸收譜線主線系各對譜線的間隔向

12、短波方向有規(guī)律地遞減    3銳線系的譜線除第一條在紅外區(qū)，其余在可見光區(qū)，通?？蓽y到34條譜線, 譜線較明銳、邊緣較清晰，各雙線都是等寬的    4漫線系的譜線除第一條在紅外區(qū), 其余亦在可見光區(qū), 也可測到34條譜線, 但譜線稍弱，邊緣漫散模糊    5基線系在紅外區(qū)，譜線很弱，本實驗不作研究用攝譜儀拍攝的光譜中，這些線系互相彼此穿插排列，根據(jù)強度、間隔和線型（精細結(jié)構(gòu)），可以區(qū)分出屬于同一線系的各條譜線，每個線系中的各條譜線的強度都是向短波方向很有規(guī)律地遞減 實驗預(yù)習(xí)部分 四、實驗步驟：1拍攝鈉原子

13、光譜用光譜純碳棒做電極，上電極磨成圓錐型、下電極頂端鉆一個直徑為23 mm的小洞, 把純 NaCl 結(jié)晶粉末放進小洞內(nèi)，拍攝鈉原子光譜    為了使每條待測譜線都有感光合適、適于觀測的像，可以利用哈特曼光欄分別拍攝幾組不同的鈉光譜及供對比的鐵光譜（NaCl粉末對攝譜儀有銹蝕作用, 實驗時要注意保持儀器清潔）    2測量鈉原子譜線的波數(shù)底片沖洗風(fēng)干后，在光譜投影儀下認譜并在比長儀下測量譜線用內(nèi)插法測量鈉原子譜線的銳線系各譜線波長各譜線波長測定后, 把波長換算成波數(shù)，即每一線系中相鄰兩譜線的波數(shù)差為   &

14、#160;                 ()為了計算方便，令n - l = m+，其中為m整數(shù)，為正小數(shù)，式()可寫成:                          ()算出后，可

15、借助里德伯表直接查出m和,代入n - l = m+，已知n值, 即可求出l值    3求固定項                           ()    4繪制能級圖計算出銳線系有關(guān)能級的光譜項值 (T3p，T5s, T6s, T7s)，以波數(shù)為單位，繪出鈉原子的銳線系的能級圖為了比較起見，在同一能級圖上畫出主量子數(shù)相同的氫原子能級位置，氫原子能級的波數(shù)按下式計算：                        T(n) = RH /n2      &