实验31（A）原子发射光谱观测分析 【实验目的】1 学会使用光学多通道分析器的方法2 通过对钠原子光谱的研究了解碱金属原子光谱的一般规律3 加深对碱金属原子中外层电子与原子核相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解【实验仪器】光学多通道分析器、光学平台、汞灯、钠灯、计算机【原理概述】钠属碱金属原子类，碱金属原子和氢原子一样，都只有一个价电子。但在碱金属原子中除了一个价电子外，还有内封闭壳层的电子，这些内封壳层电子与原子核构成原子实。价电子是在原子核和内部电子共同组成的力场中运动。原子实作用于价电子的电场与点电荷的电场有显著的不同。特别是当价电子轨道贯穿原子实时（称贯穿轨道），这种差别就更为突出。因此，碱金属原子光谱线公式为：其中为光谱线的波数；R为里德堡常数。与n分别为始态和终态的主量子数与分别为始态和终态的有效量子数与l分别为该量子数决定之能级的轨道量子数与分别为始态和终态的量子缺（也称量子改正数，量子亏损）根据就的波尔理论，在电子轨道愈接近原子中心的地方，m的数值愈大。当轨道是贯穿轨道实，m得数值还要大些。因为这时作用在电子上的原子核的有效电荷Zeff有很大程度的改变。在非常靠近原子核的地方，全部核电荷作用在电子上。而距离很远的，原子核被周围电子屏蔽，以致有效核电荷。因此s项的m值最大，而对p项来说就小一些，对于d来说还更小，由此类推。因而量子缺的大小直接反映原子实作用于价电子的电场与点电荷近似偏离的大小对于钠原子光谱分如下四个线系主线系：锐线系：漫线系： 基线系：对于某一线系谱线的波数公式可写为：其中 为常数，称为固定项。从钠原子光谱中，可以看出各线系的一些明显特征，这些特征也为其他碱金属原子光谱所具有。各线系的共同特点是：1.同一线系内，愈向短波方向，相邻谱线的波数差愈小，最后趋于一个极限连续光谱与分利谱的边界。这是由于能量愈高，能级愈密，最后趋于连续。2.在同一线系内，愈向短波方向，谱线强度愈小，原因是能级愈高，将原子从基态激发到那一状态也与不容易。各线系的区别是：1.各线系所在的光谱区域不同。主线系只有的两条谱线（钠双黄线）是在可见区，其余在紫外区。又由于主线系的下能级是基态（能级），因此当具有连续谱的光谱通过钠原子蒸汽经过分光后，在连续光谱的背景上将出现钠原子主线系的吸收光谱。在光谱学中，称主线系的第一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名的双黄线（589.0nm和589.6nm）。锐线系和漫线系由于相应的能量差比主线系小，它们的谱线除第一条线（；）在红外区外，其余都在可见区。基线系的能量差更小，在红外区。2.s能级是单重的，p、d、f能级由于电子自旋与轨道运动作用引起谱项分裂，它们是双重的。这些双重分裂随能级增高而变小。根据选择定则，主线系和锐线系是双线的。漫线系和基线系是复双重的。主线系的双线是由于3s能级与3p、4p各能级间的跃迁产生的，双线的距离决定于p能级的分裂大小，因此愈向短波方向，双线间的波数差愈小。而锐线系则不同，它是内3p能级与各s能级之间的跃迁产生的，因此锐线系各双线的波数差都相等。3.从谱线的外表上看，主线系强度较大，锐线系轮廓清晰，漫线系显得弥漫，一般复双重线连成一片。【实验仪器简介】1.光栅摄谱仪用来拍摄原子发射的一起称为摄谱仪。常用的摄谱仪有棱镜摄谱仪（如QS-20型）和光栅摄谱仪（如WPG-100型，其一级光谱色散率约为0.8nm/mm）。为了测量原子发射光谱线的波长，需要在光谱底片上同时并列拍摄标准光谱。对照标准光谱图，利用线形内插值法，从靠近某一谱线的两条已知谱线的两条标准谱线的波长，即可求出这谱线的波长。2.光学多通道分析器光学多通道分析器（OMA）由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放大器、AD采集单元、计算机组成。光学系统采用C-T型，如图所示。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围02mm连续可调，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。狭缝的宽度由螺旋移动刀片来改变，极易损坏，要小心使用。调节时注意最大不要超过2mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1-0.5mm左右。狭缝的质量直接决定了谱线的质量。光源发出的光束进入入射狭缝，位于反射式准光镜的焦面上，通过射入的光束经反射平行光束投降平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜成像在上。图1 光学多通道检测系统的基本框架、焦距302.5mm；光栅G每毫米刻线600条，闪耀波长550nm。为除去光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，可根据需要把备用的滤光片装在入射狭缝的窗玻璃前连接螺口上。滤光片共两片，工作区间：白片350600nm，红片600900nm。【实验内容】1 检查多通道分析器的转换开关的位置，确认是否处在工作位置，若用CCD接收，将扳手放在“CCD”档；若在毛玻璃上观察谱线，将旋钮指示停在“观察”档。2 点燃汞灯，用光学多通道分析器对汞灯发射光谱进行拍摄，并从440nm开始测量到540nm每隔20nm对所摄谱线定标，。3 点燃钠灯，用光学多通道分析器对钠灯发射光谱进行拍摄。4 对照不同起始波长下的已定标的谱线，分别测出钠谱线双黄线的波长。【数据记录与处理】一钠原子光谱数据路径：D:光信息zhong08323063 lin08323054定标时参考的汞灯发射光谱的标准谱线波长值：绿 色：546.07nm 黄 色：576.96nm 黄 色：578.97nm1.起始波长为=440nm时，钠光谱线如下：图一 起始波长为440nm时的那光谱线钠双黄线D1的波长为：1=588.296nm钠双黄线D2的波长为：2=588.558nm与标准值的相对误差为：E1=100%=0.12%E2=100%=0.17%2.起始波长为=460nm时，那光谱线如下：图一 起始波长为460nm时的钠光谱线钠双黄线D1的波长为：1=588.011nm钠双黄线D2的波长为：2=588.484nm与标准值的相对误差为：E1=100%=0.17%E2=100%=0.19%误差分析：两次测的钠双黄线波长与标准值（589.0nm和589.6nm）有偏差，出现误差的原因为：（1）定标不够精确，引起误差；（2）手动选取钠双黄线波峰位置时不够准确；（3）变化着的外部环境（周围变化的光线）影响着测量的精确性，导致误差。 二未知光源光谱1.起始波长为=400nm时，未知光源光谱为：第一条谱线的波长为1=407.594nm第二条谱线的波长为2=412.797nm2.起始波长为=540nm时，未知光源光谱为：谱线的波长为=618.048nm【思考题】钠原子光谱有哪些特征？从光谱图上如何判别各谱线所属线系？答：1.钠原子光谱的特征： （1）钠原子光谱分为如下四个线系：主线系，锐线系，漫线系，基线系。（2）在同一线系内，愈向短波方向，相邻谱线的波数差愈小，最后趋于一个极限。（3）在同一线系内，愈向短波方向，谱线强度愈小。（4）主线系和锐线系是双线的，漫线系和基线系是复双重线的。2.光谱图上判别各谱线所属线系的方法：（1）主线系谱线只有钠双黄线在可见光区，其它都在紫外区；锐线系和漫线系谱线除第一条在红外区外，其余的在可见光区。基线系在红外区。（2）主线系和锐线系是双线的，漫线系和基线系是复双重线的。锐线系各双线波数差都相等。（3）从谱线的外表上看，主线系强度较大，锐线系轮廓清晰，漫线系显得弥漫，一般复双重线连成一片。实验31（B）原子吸收光谱观测分析【实验目的】1 了解紫外可见吸收光谱的基本规律2 初步学会测量物质的吸收光谱【仪器用具】光学多通道分析器（WGD-6型）、光学平台（GSZ-II型）、溴钨灯光源、计算机【原理概述】1 基本知识在吸收过程中，物质的原子或分子吸收了入射的辐射能，从基态跃迁至高能级的激发态，吸收的能量与电磁辐射频率成正比。符合普朗克公式： （1）其中E是一个光子的能量（每个分子吸收的能量）；h为普朗克常数（6.626 10-39Js）；n是辐射的频率，以s-1（或Hz）为单位。波长l和频率n的乘积为真空中的光速c，c =ln （2）对紫外可见光分光光度法，波长的单位多采用纳米（nm）。波数w（以cm-1为单位）也是在吸收光谱中常用的单位，与波长、频率关系如下： （3）如以波长表示，可见光区为750400nm，紫外光区为400200nm；若以波数表示，则可见区为1330025000cm-1，紫外区为2500050000cm-12 基本定律光的吸收，就是指光波通过媒质后，光强减弱的现象。除了真空，没有一种介质对任何波长的电磁波是完全透明的。所有的物质都是对某些范围内的光透明，而对另一些范围内的光不透明。在一定波长范围内，若物质对光的吸收不随波长而变（严格来说是随波长变化可以忽略不计），这种吸收称为一般吸收；相应的，若吸收随波长而变则称为选择吸收。而任意介质对光的吸收则是由这两种吸收（一般吸收和选择吸收）组成的，在一个波段范围内表现为一般吸收，在另一个波段范围内将可能表现为选择吸收。例如：普通光学玻璃，对可见光吸收很弱，是一般吸收；而对紫外及红外波段则表现出强烈的吸收，即为选择吸收。dll入射平面波紫外（通常指的是近紫外）和可见光区的吸收光谱实质是在电磁辐射的作用下，多原子分子的价电子发生跃迁而产生的分子吸收光谱，有称为电子光谱。显然，物质吸收电磁辐射的本领是由物质分子的能级结构决定的。当物质中两能级的能量差越大，则吸收波长越小。这就是物质有一般吸收和选择吸收的缘故。而吸收分光光度法正是基于不同分子结构的各种物质，对电磁辐射显示选择吸收这种特性建立起来的。下面讨论光通过吸收媒质时，强度减弱的规律：假设有一平面光波在各向同性均匀媒质中传播，如右图。经过一厚度为d l的平行薄层后，光强度从I变化到I+dI。朗伯指出：应与吸收层的厚度d l成正比，即图2 （4）其中k为吸收系数，由媒质的特性决定。对于厚度为l的介质层，由式（4）得 （5）其中C为一积分常数，当l = 0时，I = I0，则C = ln I0；代入式（5）得 （6）这就使朗伯定律的数学表示式。吸收系数k是波长的函数，在一般吸收的波段内，k值很小，并且近乎于一常数；在选择吸收波段内，k值甚大，并且随波长的不同而有显著变化。固体材料的吸收系数主要是随入射光波长而变，其它因数影响较小。而液体的吸收系数却与液体的浓度有关。实验证明，在很多情况下，当气体的分子或溶解在溶剂里的某些物质的分子吸收光时，吸收系数与光波通过的路程上单位长度内吸收光的分子数也就是浓度c成正比。因此，比尔指出：溶液的吸收系数