实验31 原子发射光谱观测分析（实验报告）

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：

~?R????11?RR? ???*2*2?22nn???n??l???n??l?1??2~为光谱线的波数；R为里德堡常数。 其中?n?与n分别为始态和终态的主量子数?

**n2与n1分别为始态和终态的有效量子数

l?与l分别为该量子数决定之能级的轨道量子数

?l??与?l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，?的数值愈大。当轨道是贯穿轨道实，?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Zeff?1。因此s项的?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

~?np?3s 主线系：?~?ns?3p 锐线系：?~?nd?3p 漫线系：?~?nf?3d 基线系：?对于某一线系谱线的波数公式可写为：

~?A??nTR

?n??l?2其中A nT 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：

~?3p?3s?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（

3s1/2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

~?4s?3p?~?3d?3p?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、A\\D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0－2mm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S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2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M3成像在S2上。

图1 光学多通道检测系统的基本框架

M2、M3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S1的窗玻璃前连接螺口上。滤光片共两片，工作区间：白片350－600nm，红片600－900nm。

【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：578.97nm

1.起始波长为λ=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：λ1=588.296nm 钠双黄线D2的波长为：λ2=588.558nm

与标准值的相对误差为：

589.0?588.296×100%=0.12%

589.0589.6?588.558E2=×100%=0.17%

589.6E1=

2.起始波长为λ=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：λ1=588.011nm 钠双黄线D2的波长为：λ2=588.484nm

与标准值的相对误差为：

589.0?588.011×100%=0.17%

589.0589.6?588.484E2=×100%=0.19%

589.6E1=

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λ=400nm时，未知光源光谱为：

数据路径：D:\\光信息\\zhong08323063 lin08323054

实验得到的数据中包括光强度I0和不同浓度下的I值。由公式T = I / I。求出透过率T，然后再通过A= - logT= log( 1/T )求出吸光度。

在起始波长440nm下测得各浓度的高锰酸钾溶液的吸收曲线如下图所示：

图5 各浓度的高锰酸钾溶液的吸收曲线

各浓度下高锰酸钾吸收曲线的吸光度曲线谱如下图所示：

图6 各种浓度的KMnO4溶液吸光度曲线谱

不同浓度下的吸收峰位置如下（其中，λ1、λ2分别为两吸收峰对应的波长）： c / g/L 0.01 0.0125 0.02 0.025 0.05 0.1 平均值 —λ1 / nm 527.6354 526.8705 526.7940 527.7885 527.7885 528.0945 527.4952 λ2 / nm 546.2242 546.0700 546.2242 546.0700 546.1471 546.2242 546.1600 λ1=（527.6354+526.8705+526.794+527.7885+527.7885+528.0945）nm=527.4952nm λ2=（546.2242+546.0700+546.0700+546.2242+546.2242+546.1471）nm=546.1600nm

计算可得各浓度吸收峰位置的平均值为527.4952nm、546.1600nm。考虑到光学分析器采集数据时并没有覆盖这两个波长，我们在图6中取波长527.4824nm、546.1471nm对应的吸光度来分别验证比尔定律。

λ = 525.24882nm时，各浓度对应的吸光度如下： c / g/L A 0.01 0.139224 0.0125 0.175089 0.02 0.275686 0.025 0.334641 0.05 0.53963 0.1 0.701655 —

根据上表，利用ORIGIN的线性拟合功能，作A ~ c图如下：

拟合方程为A=0.13911+6.12067c

λ = 546.1471nm时，各浓度对应的吸光度如下： c / g/L A 0.01 0.15189 0.0125 0.199558 0.02 0.284418 0.025 0.360688 0.05 0.585787 0.1 0.791405 根据上表，利用ORIGIN的线性拟合功能，作A ~ c图如下：

拟合方程为A=0.143+6.96944c

从上面两图点的分布与拟合曲线可见，吸光度A与高锰酸钾浓度c基本成线性关系，从而可以验证比尔定律的成立。

七、思考题：

根据高锰酸钾吸收波长，如何选择泵浦光源？理由是什么？

答：高锰酸钾吸收峰的波长大概在520nm—570nm范围内，而可见光区波长范围为

400nm-760nm, 钨丝灯的发射光谱主要集中在可见光区和红外区，并且其能量在可见光区相对集中 ,所以选用溴钨灯光源。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sx1o.html