多功能光柵光譜儀使用與實(shí)驗(yàn) -

1、多功能光柵光譜儀的使用 -氫（氘）、鈉原子發(fā)射光譜的研究,一、原理,WGD－8A型組合式多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，計算機(jī)組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計算機(jī)技術(shù)于一體。光學(xué)系統(tǒng)采用的是切爾尼--特納裝置（C-T）型，如圖所示。,儀器設(shè)備,,,光譜儀的工作原理圖,,光譜儀的探測器為光電倍增管或CCD，用光電倍增管時，出射光通過狹縫S2到達(dá)光電倍增管。用CCD做探測器

2、時，轉(zhuǎn)動小平面反射鏡M1，使出射光通過狹縫S3到達(dá)CCD，CCD可以同時探測某一個光譜范圍內(nèi)的光譜信號。,光信號經(jīng)過倍增管（或CCD）變?yōu)殡娦盘柡?，首先?jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過A/D變換，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，最終由計算機(jī)處理顯示。前置放大器的增益、光電倍增管的負(fù)高壓和CCD的積分時間可以由控制軟件根據(jù)需要設(shè)置。前置放大器的增益現(xiàn)為1，2，…，7七個檔次，數(shù)越大放大器的增益越高。光電倍增管的負(fù)高壓也分為1，2，…，7七個檔次，數(shù)越大所

3、加的負(fù)高壓越高，每檔之間負(fù)高壓相差約200V。CCD的積分時間可以在10ms-40s之間任意改變。,掃描控制是利用步進(jìn)電機(jī)控制正弦機(jī)構(gòu)（根據(jù)光柵方程，波長和光柵的轉(zhuǎn)角成正弦關(guān)系，因此采用正弦機(jī)構(gòu)。）中絲杠的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使光柵轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)的。步進(jìn)電機(jī)在輸入一組電脈沖后，就可以轉(zhuǎn)動一個角度，相應(yīng)地絲杠上螺母就移動一個固定的距離。每輸入一組脈沖，光柵的轉(zhuǎn)動便使出射狹縫出射的光波長改變0.1nm。,,圖2-2 正弦機(jī)構(gòu)原理,本儀器主要做發(fā)射光譜實(shí)驗(yàn)！

4、,所謂發(fā)射光譜就是物質(zhì)在高溫狀態(tài)或因受到帶電粒子的撞擊而激發(fā)后直接發(fā)出的光譜。由于受激時物質(zhì)所處的狀態(tài)不同，發(fā)射光譜有不同的形狀，在原子狀態(tài)中為明線光譜，如鈉燈、汞、氫氘燈等。在分子狀態(tài)中為帶光譜，如氮放電燈；在熾熱的固態(tài)、液態(tài)或高壓主氣體中為連續(xù)光譜，如鎢燈、氘燈等。,由于不同的元素的原子能級結(jié)構(gòu)各不相同，每種元素的光譜也猶如人的指紋一樣具有自己的特征。特別是一種元素都有被稱為“住留譜線”（RU線）特征譜線，如果試樣的光譜中出現(xiàn)了某種

5、元素的“住留譜線”，就是說試樣中含有該元素。,實(shí)驗(yàn)原理,（一）氫與氘原子光譜：,巴爾末總結(jié)出的可見光區(qū)氫光譜線的規(guī)律為：,式中 為氫光譜線的波長，取3、4、5等整數(shù)。,若改用波數(shù)表示譜線，由于,則上式變?yōu)?式中109678cm-1叫氫的里德伯常量。,由玻爾理論或量子力學(xué)得出的類氫離子光譜規(guī)律為：,上式的,是元素A的理論里德伯常量，z是元素A的核電荷數(shù)，n1,n2為整數(shù)，m和e是電子的質(zhì)量和電荷，是真空介電常量，c是真空中的光速，h是普

6、朗克常量，MA是核的質(zhì)量。,顯然，RA隨A不同略有不同，當(dāng)MA→∞時，便得到里德伯常量：,所以,應(yīng)用到H和D有：,,可見RD和RH是有差別的，其結(jié)果就是D的譜線相對于H的譜線會有微小位移，叫同位素位移。,是能夠直接精確測量的量，,測出,也就可以計算出RH , RD和里德伯常量 ，,同時還可計算出D,H的原子核質(zhì)量比：,同一光波，在不同介質(zhì)中波長是不同的。,我們的測量往往是在空氣中進(jìn)行的，所以應(yīng)將空氣中的波長轉(zhuǎn)換成真空中的波長。但在實(shí)

7、際測量當(dāng)中，受所用的實(shí)驗(yàn)儀器的精度限制，這種變化可以忽略不計。,氫的特征譜,紫外部分： 賴曼系：,可見光部分：巴爾末系：,紅外部分： 帕邢系：,布喇開系：,蓬得系：,漢弗萊斯系：,鈉光譜實(shí)驗(yàn),鈉原子由一個完整而穩(wěn)固的原子實(shí)和它外面的一個價電子組成。原子的化學(xué)性質(zhì)以及光譜規(guī)律主要決定于價電子。,與氫原子光譜規(guī)律相仿，鈉原子光譜線的波數(shù)可以表示為兩項(xiàng)差,,,其中 為有效量子數(shù)，當(dāng) 無限大時， , 為線系限的波數(shù),鈉原

8、子光譜項(xiàng),T=,,它與氫原子光譜項(xiàng)的差別在于有效量子數(shù) 不是整數(shù)，而是主量子數(shù)n減去一個數(shù)值Δ，即量子修正Δ，稱為量子缺。量子缺是由原子實(shí)的極化和價電子在原子實(shí)中的貫穿引起的。 堿金屬原子的各個內(nèi)殼層均被子電子占滿，剩下的一個電子在最外層軌道上，此電子稱為價電子，價電子與原子的結(jié)合較為松散，與原子核的距離比其他內(nèi)殼層電子遠(yuǎn)得多，因此可以把除價電子之外的所有電子和原子核看作一個核心，稱為原子實(shí)。,,由于價電子電場的作用，原子實(shí)中帶

9、正電的原子核和帶負(fù)電的電子的中心會發(fā)生微小的相對位移，于是負(fù)電荷的中心不再在原子核上，形成一個電偶極子。極化產(chǎn)生的電偶極子的電場作用于價電子，使它受到吸引力而引起能量降低。同時當(dāng)價電子的部分軌道穿入原子實(shí)內(nèi)部時，電子也將受到原子產(chǎn)的附加引力，降低了勢能，此即軌道貫穿現(xiàn)象。,原子能量的這兩項(xiàng)修正都與價電子的角動量有關(guān)，角量子數(shù) 越小，橢圓軌道的偏心率就越大，軌道貫穿和原子實(shí)極化越顯著，原子能量也越低。因此，價電子越靠近原子實(shí)，即n越小、

10、越小時，量子缺Δ越大（當(dāng)n較小時，量子缺主要決定于l，實(shí)驗(yàn)中近似認(rèn)為Δ與n 無關(guān)）。,分別用S,P,D,F表示。鈉原子光譜有四個線系：,主線系（P線系）：3S-nP， n=3,4,5,…；,漫線系（D線系）：3P-nD, n=3,4,5,…；,銳線系（S線系）：3P-nS， n=4,5,6,…；,基線系（F線系）：3P-nF， n=4,5,6,…；,在鈉原子光譜的四個線系中，只有主線系的下級是基

11、態(tài)（3S1/2能級），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有名的黃雙線（589.0nm和589.6nm）。,鈉原子的其他三個線系，基線系在紅外區(qū)域，漫線系和銳線系除第一組譜線在紅外區(qū)域，其余都在可見區(qū)域。,其中上能級是雙重的，下能級是單重的，因此，根據(jù)選擇定則，主線系是雙重結(jié)構(gòu)。其短波成分和長波成分的強(qiáng)度比是2：1。,上能級是單重的，下能級是雙重的。根據(jù)選擇定則 ，銳線系是雙重結(jié)構(gòu)，且其短波成分和長波成分的

12、強(qiáng)度比是1：2。,這時上、下能級都是雙重的。根據(jù)選擇定則，漫線系應(yīng)該有三條譜線，分別記為 ,但由于 相距很近，通常無法分開，兩個成分合二為一，其波長用 表示，稱為復(fù)雙線結(jié)構(gòu)。其短波成分和長波成分的強(qiáng)度比為1：2.,二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,1.利用汞原子光譜校正光譜儀,檢查儀器，接通光譜儀及電腦、打印機(jī)電源，將光譜儀電壓調(diào)到500V左右，使狹縫寬度小于0.10nm。接通汞燈電源，預(yù)熱3分鐘后測量?？蓽y光譜為365.01nm

13、、365.46nm、366.32nm、404.66nm、404.98nm、435.83nm、546.07nm、576.89nm、579.07nm。,2.觀察鈉原子光譜并描繪測得的圖象,將光譜儀電壓調(diào)到500 V左右，可見的光譜為589.0nm、589.6nm。,3.觀察氫——氘原子光譜并描繪測得的圖象 ,利用測得的數(shù)據(jù)值計算里德伯常數(shù)。,將光譜儀電壓調(diào)到1000 V左右，可測的氫光譜為410.17nm、434.05nm、486.13nm

14、、656.28nm。,計算氫原子的里德波常熟，并計算D，H的原子核質(zhì)量比。,三、注意事項(xiàng),1.光電倍增管不宜受強(qiáng)光照射（會引起雪崩效應(yīng)），因此測量時不要使入射光太強(qiáng)。,2.氫、氘光的譜線相隔很近，因此測量時要求靈敏度最高（能量間隔0.01nm），電壓接近1000伏；保持室內(nèi)安靜。同時，由于氫、氘燈的電壓很高（4000伏左右），在使用過程中不要輕易觸摸。,3.為了保證測量儀器的安全，在測量中不要任意切換光電倍增管和CCD；入射狹縫的調(diào)節(jié)范