应用物理学0903班

钠原子光谱实验报告

应物0903班 王文广 U200910198

钠原子光谱实验报告

一、 实验目的

1、了解平面光栅的结构特点和用光栅衍射分光的原理

2、了解光学多道分析器的组成及功能，学习用光学多道分析器

测量光谱

3、测量钠原子的光谱，并将结果与理论值进行对照分析原子结

构

4、由所测光谱结果，计算该原子的里德伯常数

二、实验内容

1、用汞灯作为标准光源来标定，然后测量钠原子谱线

2、测量钠原子的光谱计算钠原子的里德伯常数R

三、实验原理

原子发射光谱是处于激发态的原子回到基态时发出的光谱。每种元素原子的发射光谱都有自身的特征谱线。不同元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同。

1、首先我们要讨论原子如何被激发而产生光辐射？

在实验中我们用原子发光灯来产生光辐射

2、光源中大量原子发出的不同波长的复合光怎么分解成按波长顺序排列的谱线？

在实验中我们采用反射式平面衍射光栅实现分光。当一束包含不波长的平行光从某角度i入射到光栅后，各个槽面所产生的衍射光将叠加，考虑波长为?的衍射光，产生干涉极大的条件是 j

d(sini?sin?j)?m?j

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嘉应学院物理系大学物理

学生实验报告

实验项目：               

实验地点：                     

班     级：              

姓     名：              

座     号：              

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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Z_eff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

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###学院近代物理实验

实验报告

实验项目：钠原子光谱

实验地点：

班 级：

姓 名：

座 号：

实验时间： 年 月 日

一、实验目的：

本实验通过对钠原子光谱的观察、拍摄与分析，加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解，在分析光谱线系和测量波长的基础上，计算钠原子的价电子在不同轨道运动时的量子缺，绘制钠原子的部分能级图．

实验预习部分

二、实验仪器设备：

1．用一般的玻璃棱镜摄谱仪，可拍摄到可见光区的谱线；石英棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪则可拍摄到紫外、可见、红外光区的全部谱线．

2．哈特曼光栏（见图 1.3.1）是摄谱仪的重要附件，利用光栏的A部分可以改变摄谱仪的狭缝高度；还可以利用哈特曼光栏B部分的三个小孔和固定底片盒, 并排拍摄铁谱和钠谱，以便测定钠谱线的波长．

3．利用光谱投影仪或比长仪和铁光谱标准图对比，可以辨认及测量出钠原子光谱各线系谱线的波长．

4．为了冲洗所拍摄的光谱底片，在暗房中备有整套的冲洗工具：定时钟、显影及定影药水等．

5．里德伯表（见表1.3.1）．

三、实验原理：

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实验二  钠原子光谱

碱金属是元素周期表中的第一列元素（H除外），包括Li、Na、K、Rb、Cs、Fr，是一价元素，具有相似的化学、物理性质。碱金属原子的光谱和氢原子光谱相似，也可以归纳成一些谱线系列，而且各种不同的碱金属原子具有非常相似的谱线系列。碱金属原子的光谱线主要由4个线系组成：主线系、第一谱线系（漫线系）、第二辅线系（锐线系）和柏格曼线系（基线系）。

碱金属原子与氢原子在能级方面存在差异，而且谱线系种类也不完全相同。原子实的极化和轨道贯穿理论很好的解释了这种差别。进一步对碱金属原子光谱精细结构的研究证实了电子自旋的存在和原子中电子的自旋与轨道运动的相互作用，即自旋－轨道相互作用，这种作用较弱，由它引起了光谱的精细结构。钠原子光谱及其相应的能级结构具有碱金属原子光谱和能级结构的典型特征。

本实验通过钠原子光谱的观察与分析，加深对有关原子结构、原子内部电子的运动、碱金属原子的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，在分析光谱线和测量波长的基础上，计算钠原子中价电子的各能级和相应的量子亏损，绘制钠原子的部分能级图。

【实验原理】

原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年，巴尔末（J.J.Balmer）根据人们的观测数据，发现了氢光谱的规律，提出了著名的氢光谱线的经验公式。氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起了重要作用。

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操作1

上图为定标前的谱线，纵坐标表示光强，横坐标表示通道的编号。

上图为定标后的谱线，横坐标变为了波长。

因为光栅移动等操作的会产生机械误差，若不进行定标，误差会很大，以至于掩盖掉真实的实验数据。首次使用需要定标，移动光栅后也需要重新定标。

钠双黄线的Δλ=0.55nm

钠双黄线的Δλ=0.63nm

钠双黄线的Δλ=0.6nm

三种情况得到的钠双黄线的Δλ相近。

操作2

上图为白光光谱以及不同浓度的高锰酸钾溶液和水的吸收曲线。容易看出，高锰酸钾的浓度越大，对白光的吸收越明显。并且波长大于600nm的光几乎没有被吸收。

上图为不同浓度的高锰酸钾溶液和水对白光的吸收度曲线。对于不同浓度的溶液，吸收峰的波长都相同。吸收峰波长为525.45nm。从吸光度同样可以看出，波长大于600nm的光几乎没有被吸收。

研究吸收度和浓度的关系。取三个波长525nm、500.03nm、540.01nm，分别作出吸收度-浓度曲线，做直线拟合。三条拟合曲线的R²分别为0.99637、0.99622、0.99831，斜率分别为13.80606、9.20661、12.91962。从而验证了比尔定律。由三条拟合直线的斜率看出，波长接近吸收峰波长时，吸光度随浓度变化得更快。

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北航物理实验研究性报告

氢原子光谱和里德伯常数的测量

及对钠黄双线能否被分辨的探讨

摘要

本文基于氢原子光谱和里德伯常数的测量的实验，简要介绍了实验的原理、步骤、仪器，并对实验数据进行处理。最后主要对实验过程中未能观察到钠黄双线被分辨这一现象进行了探讨，并提出了光栅刻痕数量不够和爱里斑的干扰这两种可能的原因去尝试解释实验现象，最后根据实验现象结合理论分析得出了合理的结论。

关键词：光栅， 钠黄双线， 爱里斑

实验重点

（1）巩固、提高从事光学实验和使用光学仪器的能力（分光仪的调整和使用）；

（2）掌握光栅的基本知识和方法；

（3）了解氢原子光谱的特点并使用光栅衍射测量巴尔末系的波长和里德伯常数；

（4）巩固与扩展实验数据处理的方法——测量结果的加权平均，不确定度和误差的计算，实验结果的讨论等；

实验原理

一、光栅及其衍射

波绕过光栅而传播的现象称为衍射。具有周期性的空间结构的衍射屏称为“栅”。当波源与接收器距离衍射屏都是无限远时所产生的衍射称为夫琅禾费衍射。

光栅是使用最广泛的一种衍射屏。在玻璃上刻画一组等宽度、等间隔的平行狭缝就形成了一个投射光栅；在铝膜上刻画出一组端面为锯齿形的刻槽可以形成一个反射光栅；而晶格原子的周期排列则形成了天然的三维光栅。

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使用光学多道测量光谱实验预习报告

摘要

光多道探测器（OMA）是一个能够同时对多个检测通道完成光电转换，实现光谱并行检测的探测器。光学多道利用现代的光电技术—CCD来实现对光谱的接收、测量和处理。本文简单的阐述了光学多道仪的历史背景与发展前景，仪器的结构原理，以及实验的定标等基本问题。

关键词

光学多道仪；光谱仪；吸收光谱

正文

光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金和考古等部门。常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。涉及的波段从x射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过测量发光二极管发射光谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法。

光学多通道分析器是集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体的精密仪器，能够更为精确的进行光谱测量。它的结构和工作原理较为复杂，但由于使用了计算机技术而使得操作过程非常方便。本实验通过对汞灯定标和测量发光二极管的光谱从而达到了解光学多通道分析器的工作原理，理解光谱测量与分析的重要性，并掌握操作方法的目的。

一、历史背景

1.光谱仪的发展

光谱起源于17 世纪，1666 年物理学家牛顿第一次进行了光的色散实验。他在暗室中引入一束太阳光，让它通过棱镜，在棱镜后面的自屏上，看到了红、橙、黄、绿、兰、靛、紫七种颜色的光分散在不同位置上——即形成一道彩虹。这种现象叫作光谱。这个实验就是光谱的起源，自牛顿以后，一直没有引起人们的注意。到1802年英国化学家沃拉斯顿发现太阳光谱不是一道完美无缺的彩虹，而是被一些黑线所割裂。

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