實驗31原子發(fā)射光譜觀測分析(實驗報告)

31〔A〕原子放射光譜觀測分析【試驗?zāi)康摹繉W(xué)會使用光學(xué)多通道分析器的方法通過對鈉原子光譜的爭論了解堿金屬原子光譜的一般規(guī)律加深對堿金屬原子中外層電子與原子核相互作用以及自旋與軌道運動相互作用的了解【試驗儀器】光學(xué)多通道分析器、光學(xué)平臺、汞燈、鈉燈、計算機【原理概述】是當價電子軌道貫穿原子實時〔稱貫穿軌道〕，公式為：R_R2丿什_“；〕2〔—“J英中0為光譜線的波數(shù)：R為里徳堡常數(shù)。7/與n/”與1分別為該量子數(shù)決左之能級的軌道量子數(shù)“；與“分別為始態(tài)和終態(tài)的量子缺〔也稱量子改正數(shù)，量子虧損〕實，電荷Z叨T1。因此s項的“值最大，而對p項來說就小一些，對于d來說還更小，由此類推。因而量子缺“的大小直接反映原子實作用于價電子的電場與點電荷近似偏離的大小對于鈉原子光譜分如下四個線系主線系:v=upt3s銳線系：v=ns3/?漫線系：vnd基線系：v=nf^3d對于某一線系譜線的波數(shù)公式可寫為：貝中人7?為常數(shù)，稱為固定項。

R”=_ v〔?-A〕-有。各線系的共同特點是：利譜的邊界。這是由于能量愈髙，能級愈密，最終趨于連續(xù)。狀態(tài)也與不簡潔。各線系的區(qū)分是：1?各線系所在的光譜區(qū)域不同。主線系只有的兩條譜線〔鈉雙黃線〕是在可見區(qū)，其余在紫外區(qū)。又由于主線系的下能級是基態(tài)〔“”2能級〕，因此當具有連續(xù)譜的光譜通過鈉原子蒸汽經(jīng)過分光后，在連續(xù)光譜的背景上將岀現(xiàn)鈉原子主線系的吸取光譜。在光譜學(xué)中，稱主線系的第一組線〔雙線〕為共振線,鈉原子的共振線就是知名的雙黃線〔589.0nm和589.6nm〕o銳線系和漫線系由于相應(yīng)的能量差比主線系小，它們的譜線除第一條線〔/=4￡—3“：―沖在紅外區(qū)外，其余都在可見區(qū)?；€系的能量差更小，在紅外區(qū)。2.Sdf能級由于電子自旋與軌道運動作用引起譜項分裂，它們是雙重的。這些雙重分裂隨能級增髙而變小。依據(jù)選擇立則，主線系和銳線系是雙線的。漫線系和基線系是復(fù)雙重的。主線系的雙線是由于3s能級與3p、4p……各能級間的躍遷產(chǎn)生的，雙線的距離決立于p能級3p能級與各s能級之間的躍遷產(chǎn)生的，因此銳線系各雙線的波數(shù)差都相等。成一片?！驹囼瀮x器簡介】1?光柵攝譜儀用來拍攝原子放射的一起稱為攝譜儀。常用的攝譜儀有棱鏡攝譜儀〔如QS-2O型〕和光柵攝譜儀〔如WPG-1000.8nnVmm〕?圖，利用線形內(nèi)插值法，從靠近某一譜線的兩條譜線的兩條標準譜線的波長，即可求出這譜線的波長。2.光學(xué)多通道分析器光學(xué)多通道分析器〔OMA〕由光柵單色儀、CCD接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A\D采集C-T0—2mm連續(xù)可調(diào)，每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.5mm.狹縫的寬度由螺旋移動刀片來轉(zhuǎn)變，極易損壞，要留神使用。調(diào)整時留意最大不要超過2mm,平日不使用時，狹縫最好開到0.1-0.5mm左右。狹縫的質(zhì)量直接打算了譜線的質(zhì)M。光源發(fā)岀的光束進入入射狹縫S〔,SJ立于反射式準光鏡的焦而上，通過S］射入的光束經(jīng)反射平行光束投降平而光柵G上，衍射后的平行光朿經(jīng)物鏡M3成像在S?上。1光學(xué)多通道檢測系統(tǒng)的根本框架M3302.5mm：光柵G600550nm?？p&350-600nm,600—900nm?！驹囼瀮?nèi)容】CCD“CCD”檔：假設(shè)在毛玻璃上觀看譜線，將旋鈕指示停在“觀看”檔。點燃汞燈，用光學(xué)多通逍分析器對汞燈放射光譜進展舶攝，并從440nm開頭測量到540nm每隔20nm對所攝譜線泄標，。點燃鈉燈，用光學(xué)多通道分析器對鈉燈放射光譜進展拍攝。比照不同起始波長下的已泄標的譜線，分別測出鈉譜線雙黃線的波長?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】一.鈉原子光譜數(shù)據(jù)路徑：D:\光信息\zhong08323063lin08323054左標時參考的汞燈放射光譜的標準譜線波長值：綠色:546.07nm黃色:576.96nm300Q■g440 460 480 500 520 540 560 580 600 620入/nm圖一起始波長為440nm時的那光譜線鈉雙黃線D1的波長為：X=588 296nm鈉雙黃線D2的波長為：X2=588.558nm與標準值的相對誤差為:589.0—58&296589.0589.6-588.558E2=589.6

X100%=0.12%X100%=0.17%3503300025002023150010005004B0 480 500 520 540 560入/nm

580 600 62C 6402圖一起始波長為460nm時的鈉光譜線鈉雙黃線D1的波長為：Xi=588.01lnm鈉雙黃線D2的波長為：X =588.484nm2E2=589.0-5411X100%5896

=0.17%X100%=0.19%與標準值的相對誤差為:誤差分析：兩次測的鈉雙黃線波長與標準值〔589.0nm和589.6nm〕有偏差，消滅誤差的緣由為：〔1〕立標不夠準確，引起誤差：〔2〕手動選取鈉雙黃線波峰位置時不夠準確；〔3〕變化著的外部環(huán)境〔周弗1變化的光線〕影響著測量的準確性?導(dǎo)致誤差。二.未知光源光譜1X=400nm時，未知光源光譜為:A/nm2X=540nm時，未知光源光譜為:3500560 5 660680入/nm【思考題】鈉原子光譜有哪些特征？從光譜圖上如何判別各譜線所屬線系？答：1?鈉原子光譜的特征：鈉原子光譜分為如下四個線系：主線系，銳線系，漫線系，基線系。在同一線系內(nèi)，愈向短波方向，相鄰譜線的波數(shù)差愈小，最終趨于一個極限。在同一線系內(nèi)，愈向短波方向，譜線強度愈小。主線系和銳線系是雙線的，漫線系和基線系是復(fù)雙重線的。2. 光譜圖上判別各譜線所屬線系的方法：〔1〕 主線系譜線只有鈉雙黃線在可見光區(qū)，其它都在紫外區(qū)；銳線系和漫線系譜線除第一條在紅外區(qū)外，其余的在可見光區(qū)。基線系在紅外區(qū)?！?〕 〔3〕 從譜線的外表上看，主線系強度較大，銳線系輪廉淸晰，漫線系顯得布滿，一般復(fù)雙重線連成一片。31〔B〕原子吸取光譜觀測分析【試驗?zāi)康摹??了解紫外一一可見吸取光譜的根本規(guī)律2.初步學(xué)會測量物質(zhì)的吸取光譜【儀器用具】光學(xué)多通道分析器〔WGD-6型人光學(xué)平臺〔GSZ-II型〕、浪鑄燈光源、計算機【原理概述】1.根本學(xué)問在吸取過程中，物質(zhì)的原子或分子吸取了入射的輻射能，從基態(tài)躍遷至髙能級的激發(fā)態(tài)，吸收的能量與電磁輻射頻率成正比。符合普朗克公式：E=hv 〔1〕英中E是一個光子的能量〔每個分子吸取的能量〕；h為普朗克常數(shù)〔6.626X⑴一嗎?s〕；v是輻射的頻率，以〔或Hz〕為單位。波長入和頻率v的乘積為真空中的光速c,c=/vV 〔2〕對紫外可見光分光光度法，波長的單位多承受納米〔nm〕o波數(shù)3〔以cm”1為單位〕也是在吸取光譜中常用的單位，與波長、頻率關(guān)系如下：v1co=—=—cA如以波長表示，可見光區(qū)為750M00nm,紫外光區(qū)為400-200nm：假設(shè)以波數(shù)表示，則可見區(qū)為133OO-25OOOcnr1,25OOO-5OOOOcnr12.根本立律

〔3〕光的吸取，就是指光波通過媒質(zhì)后，光強減弱的現(xiàn)象。除了真空，沒有一種介質(zhì)對任何波長的電磁波是完全透亮的。全部的物質(zhì)都是對某些范帀內(nèi)的光透亮，而對另一些范用內(nèi)的光不透亮。在一左波長范困內(nèi)，假設(shè)物質(zhì)對光的吸取不隨波長而變〔嚴格來說是隨波長變化可以無視不計〕，這種吸取稱為一般吸取：相應(yīng)的，假設(shè)吸取隨波長而變則稱為選擇吸取。而任意介質(zhì)對光的吸取則是由這兩種吸取〔一般吸取和選擇吸取〕組成的，在一個波段范用內(nèi)表現(xiàn)為一般吸取，在另一個波段范用內(nèi)將可能表現(xiàn)為選擇吸取。例如：一般光學(xué)玻璃，對可見光吸取很弱，是一般吸?。憾鴮ψ贤饧凹t外波段則表現(xiàn)出猛烈的吸取，即為選擇吸取。紫外〔通常指的是近紫外〕和可見光區(qū)的吸取光譜實質(zhì)是在電磁輻射的作用下，多原子分子的價電子發(fā)生躍遷而產(chǎn)生的分子吸取光譜，有稱為電子光譜。明顯，物質(zhì)吸取電磁輻射的本領(lǐng)是由物質(zhì)分子的能級構(gòu)造決泄的。當物質(zhì)中兩能級的能量差越大，則吸取波長越小。這就是物質(zhì)有一般吸取和選擇吸取的原因。而吸取分光光度法正是基于不同分子構(gòu)造的各種物質(zhì)，對電磁輻射顯示選擇吸取這種特性建立起來的。下而爭論光通過吸收媒質(zhì)時，強度減弱的規(guī)律：假設(shè)有一平面光波在各向同性均勻媒質(zhì)中傳播，如右圖。經(jīng)過一厚度為dl 入的平行薄層后，光強度從I變化到I+dL朗伯指岀：d/〃應(yīng)與吸取層的厚度dl成正射比，即 而波ln/=-H+C (5)^-=-kdl 〔4〕其中k1的介質(zhì)層,由式〔4〕得其中C1=0時，1=1°,則CIn10；代入式〔5〕得(6)這就使朗伯泄律的數(shù)學(xué)表示式。吸取系數(shù)k是波長的函數(shù)，在一般吸取的波段內(nèi)，k值很小，并且近乎于一常數(shù)；在選擇吸收波段內(nèi)，k值甚大，并且隨波長的不同而有顯著變化。固體材料的吸取系數(shù)主要是隨入射光波長而變，其它因數(shù)影響較小。而液體的吸取系數(shù)卻與液體的濃度有關(guān)。試驗證明，在很多狀況下，當氣體的分子或溶解在溶劑里的某些物質(zhì)的分子吸收光時，吸取系數(shù)與光波通過的路程上單位長度內(nèi)吸取光的分子數(shù)也就是濃度C成正比。因此，比爾指出：溶液的吸取系數(shù)k與濃度C成正比：k=a”c (10)其中a”為一與濃度無關(guān)的常數(shù)，它只決泄于分子的特性。于是式(6)變?yōu)镼

(11)假設(shè)以T=I/I.表示透過率，A=-log7=log1/7表示吸光度，并將式(11)的自然對數(shù)換成以10位底的對數(shù)時，則得log///0一acl”或

6 2.303A=acl

(12)(13)式(13)即為比爾泄律的數(shù)學(xué)形式。應(yīng)指出，比爾圧律只有在物質(zhì)分子的吸取本領(lǐng)不受它周用鄰近分子的影響時才是正確的。當濃度很大時，分子間的相互影響不行無視*此時a與c有關(guān),比爾立律就不成立?因此朗伯定律始終是成立的，但比爾左律僅在一建條件下才成立。收光譜分析法。【儀器構(gòu)造】1.光源一個抱負的光源應(yīng)具有整個紫外一一可見取得連續(xù)輻射，其強度髙且能量隨波長變化不大。而實際不存在這樣的光源，只能是不同波段使用不同的光源。通常分兩大類：熱光源一一以餌絲燈為主，放電光源一一以氫燈為代表。鉤絲燈主要用于可見及紅外區(qū)，其輻射與黑體輻射相近。計算結(jié)果說明，工作溫度為3000K時約11%總能量落在可見區(qū)。通常鉤絲燈的工作溫度為2870Ko明顯，max愈易由紅外區(qū)向可見區(qū)移動。鉤絲燈在可見區(qū)輻射能量與電壓的四次方成正比，光電流與燈線電壓的n次方成正比匚為嚴格掌握燈絲電壓，必需承受穩(wěn)壓電源。在紫外區(qū)個類型的放電光源如氫燈、笊燈或汞燈等均可用。這些光源均以電子流通過充氣的放電管、由電子與氣體分子碰撞而激發(fā)英他光譜。當氣壓低時，主要放射線狀光譜；當氣壓髙時,由于原子間的相互作用，導(dǎo)致產(chǎn)生連續(xù)光譜。氫燈是紫外區(qū)最常用的光源。常見的氫燈有高壓與低壓兩種。后者較常用。氫燈的輻射由350nm延長到約160nm,375nm以上的輻射已很弱,恰能與鵠絲燈有用的輻射波段相連接。入、出射下縫的寬度，除掌握單色儀的輻射能量外，也決左了相應(yīng)的波寬與光譜純度。當縫寬縮小時，輻射強度降低.譜線變窄，能提髙系統(tǒng)的區(qū)分力量。但區(qū)分率受衍射現(xiàn)象的限制。瑞利認為：由衍射產(chǎn)生的其一波長R為/?=—AA

〔14〕這里1為兩波長的平均值。另外，由于光電接收靈敏度的限制，縫寬也不能太小，最好不要小于O.lmnie由于玻璃對紫外光有猛烈的吸取，故紫外區(qū)的棱鏡多用石英制成。通常用角色散來描述棱鏡對復(fù)光的開放力量。由右圖可知又由于

d<9、A6>_&2dA△幾—Ajde、dx是很小的量。(15)d<9d&d? = ? d2d/7d2d&/d〃只與棱鏡的幾何外形有關(guān)；而d&/d表示n隨九而變，稱為色散率，其值隨波長變短而增夫。石英棱鏡在紫外區(qū)有較髙的色散率，而在可見區(qū)較小，宜用玻璃棱鏡代替。這樣，不同波段要更換棱鏡，使用上很不便利。因此，光柵的消滅及其制作工藝的不斷完善，已逐步取代棱鏡。光通過平而投射光柵時，波長與衍射角之間的關(guān)系式為〔如右圖〕：kA=dsin0,k=0 123如入射光不垂直于光柵平而而(17)與法線成i角，則光柵方程為：kA=〃〔sin&+sini〕〔14〕對入取微商得〔1〕〔2〕

d&_kd2dcosO上式說明dx較小時，de與k成正比。即衍射的級數(shù)愈髙，色散愈大。de與dd愈小或總刻線數(shù)愈多，色散愈大。

(18)〔3〕 當cose變化不大時，d&/d近似為一常數(shù)。即光柵的色散近似線形，不隨波長而變。這給設(shè)計帶來很大的便利。不過通常均使用反射光柵，其原理與投射光柵沒有太大區(qū)分。吸取池吸取池是將試樣送入測試系統(tǒng)使與光輻射相互作用，即發(fā)生吸取光過程的裝置。最簡潔的吸取池是用液體試樣的液槽。吸取池必需：制作材料是透亮的、不吸取待分析樣品的光譜區(qū)的光。用于參比試樣與分析試樣時，要嚴格配對〔尤英在紫外光區(qū)〕吸取池材料本身的吸光特征，吸取光程長度的精度，對分析結(jié)果均有影響。【試驗內(nèi)容】?在儀器進入工作狀態(tài)前，預(yù)備好待測的溶液?！哺鞣N濃度高鎰酸鉀溶液〕。?測量各種濃度的髙猛酸鉀溶液的吸取曲線。?定出髙鎰酸鉀每條吸取曲線的吸取蜂波長。4?依據(jù)高鐳酸鉀的吸取曲線,驗證比爾定律?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】數(shù)據(jù)路徑：D:\光信息\zhong08323063lin08323054試驗得到的數(shù)拯中包括光強度IIT=I/L求出透過率T,然后再通過A=-logT=log〔1/T〕求出吸光度。在起始波長440nm下測得齊濃度的髙鐳酸鉀溶液的吸取曲線如以下圖所示：A/nm圖5各濃度的高猛酸鉀溶液的吸取曲線各濃度下髙鐳酸鉀吸取曲線的吸光度曲線譜如以下圖所示:6各種濃度的KMnO4溶液吸光度曲線譜c/g/L0.01ki/c/g/L0.01ki/nm527.63542/nm546.22420.0125526.8705546.07000.02526.7940546.22420.025527.7885546.07000.05527.7885546.14710」528.0945546.2242平均值527.4952546.1600