汞原子光谱实验报告

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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

第3节 氢原子光谱

早在17世纪,牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现 象

一、什么是光谱光谱，全称是光学频谱，是复色光通过色散系统(如 光栅、棱镜)进行分光后，依照光的波长(频率)的 大小顺序排列形成的图案。

连续光谱 连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光 谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气 体的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出 的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续

光谱。

观察氢原子光谱实验1、装置

气体放电管

分光镜 2-3KV

气体放电管： 玻璃管中稀薄气体的分子在强电场的作用下会电 离，成为自由移动的正负电荷，于是气体变成导体， 导电时会发光。这样的装置叫做气体放电管。

2、氢气发光时的光谱 光谱特点： 1.不连续，只是由一些亮线组成 2.不同色，每种颜色对应一种波长 3.不等距，相邻两种光的波长间距不相等

明线光谱： 只含有一些不连续的亮线的光谱叫明线光谱。明线光谱 中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。 明线光谱是由游离状态的原子发射的，也叫原子光谱。

实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能 发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线也叫 做原子的特征

1.2钠原子光谱

氢原子光谱和波尔理论给出了单纯正负电荷间相互吸引作用的电场量子化规律。正确认识复杂原子光谱的规律，是完善波尔理论的必要条件。在多电子原子体系中，碱金属原子只有一个价电子，与氢原子的结构相似，分析二者原子光谱的异同，是研究复杂原子光谱的切入点，不但认清了同种电荷间排斥作用的电场量子化规律，为解释元素的周期律奠定基础，还导致电子自旋的发现。

多电子原子中存在原子核-电子、电子-电子以及自旋-轨道多重相互作用。通过拍摄钠原子光谱，在测量波长和分析光谱线系的基础上，根据价电子在不同轨道运动时的量子缺来理解电子-电子排斥作用对能级结构的影响，可以较全面地掌握光谱分析技术的基本方法。

一、实验目的

（1）测量钠主线系的谱线波长；

（2）了解原子光谱与原子结构的关系，求钠原子主线系的量子改正数（量子缺）。

二、实验原理

原子中电子绕核运动的能量是量子化的。电子从一个能级跃迁到另一能级, 就要辐射或吸收一定的能量，由此形成原子的发射光谱或吸收光谱。电子在主量数为n2和n1的上、下能级之间跃迁时，其发射光谱的波数为

11?~?1(E?E)?R???， （1.2.1） ??2122?

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

钠原子光谱实验介绍及分析

摘要 实验使用Wgd-8A型组合式多功能光栅光谱仪，测定钠光谱线，并使用计算机采集数据。本文将

分析实验得到的光谱线，计算量子亏损，绘出钠原子能级图，并验证选择定则。 关键词 钠光谱、量子亏损、能级跃迁、选择定则 一、实验原理 量子亏损：

钠是碱金属原子，Z=11，核外有11个电子，其中1s22s22p6这10个电子形成稳定的满壳层结构，并与原子核共同组成原子实。最外层的电子组态为3s，这一个电子被称为价电子，它决定了原子的化学和光谱特性。

由于价电子和原子实的相互作用，表现为原子实的极化和价电子轨道贯穿原子实的作用，因此使的钠原子的能级与氢原子的能级有显著的不同。为此，光谱项中的主量子数n用有效量子数n替代，则：

*1Tnl?RR? （1） 式中n*?n??l,?l称*22n(n??l)*为量子数亏损，有效量子数n不再是整数了。当主量子数n越小，价电子越靠近原子实，其运行轨道的椭圆偏心率越大，角量子数l越小，这时?l的数值越大，所以量子数亏损?l是一个与n、l有关的量。理论和实验均证明，当n不是很大时，量子数亏损的大小主要取决于l，而随n

新知预 习· 巧设计

第 十 八 章

第 3 节

名师课 堂· 一点通 创新演 练· 大冲关

要点一 要点二 随堂检测 归纳小结 课下作业 综合提升

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1.知道光谱、线状谱、连续谱、吸收 光谱、光谱分析等概念。 2.知道氢原子光谱的实验规律。 3.知道经典物理的困难在于无法解释

原子的稳定性和光谱分立特征。

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[读教材· 填要点]

1.光谱及其应用 项目 定义 内 容

用 光栅 或 棱镜 可以把光按 波长 展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱 线状谱：由一条条的 亮线 组成的光谱 连续谱：由连在一起的 光带 组成的光谱返回

分类

项目 原子的 特征谱 线

内

容

各种原子的发射光谱都是 线状谱 ，说明原子只发

出几种 特定频率 的光。不同原子的亮线位置是不同 的，说明不同原子的发光频率是 不一样 的， 光谱中的亮线称为原子的 特征谱线 光谱分析：利用原子的 特征谱线 来鉴别物质和确 定物质的 组成成分

应用

优点： 灵敏度 高，样本中一种元素的含量达到10-

就可被检测到返回

[关键一点]

连续谱含有可见光的一切波长，不具有原子

的特征谱线，不能用来进行光谱分析。 2.氢原子光谱的实验规律 (1)许多情况下光是由原子内部电

新知预 习· 巧设计

第 十 八 章

第 3 节

名师课 堂· 一点通 创新演 练· 大冲关

要点一 要点二 随堂检测 归纳小结 课下作业 综合提升

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1.知道光谱、线状谱、连续谱、吸收 光谱、光谱分析等概念。 2.知道氢原子光谱的实验规律。 3.知道经典物理的困难在于无法解释

原子的稳定性和光谱分立特征。

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[读教材· 填要点]

1.光谱及其应用 项目 定义 内 容

用 光栅 或 棱镜 可以把光按 波长 展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱 线状谱：由一条条的 亮线 组成的光谱 连续谱：由连在一起的 光带 组成的光谱返回

分类

项目 原子的 特征谱 线

内

容

各种原子的发射光谱都是 线状谱 ，说明原子只发

出几种 特定频率 的光。不同原子的亮线位置是不同 的，说明不同原子的发光频率是 不一样 的， 光谱中的亮线称为原子的 特征谱线 光谱分析：利用原子的 特征谱线 来鉴别物质和确 定物质的 组成成分

应用

优点： 灵敏度 高，样本中一种元素的含量达到10-

就可被检测到返回

[关键一点]

连续谱含有可见光的一切波长，不具有原子

的特征谱线，不能用来进行光谱分析。 2.氢原子光谱的实验规律 (1)许多情况下光是由原子内部电

华中科技大学经典物理学资料

第13章 量子力学基础 13章13-1 黑体辐射 普朗克能量子假说 13-2 光电效应 爱因斯坦光电方程 13-3 氢原子光谱 玻尔理论 1313-4 波粒二象性 13-5 不确定关系 13-6 波函数 薛定谔方程 13-7 一维无限深方势阱 13-8 氢原子的量子力学处理 13-9 电子自旋 四个量子数 13-10 原子的中电子壳层结构 华中师范大学物理学院 李安邦

华中科技大学经典物理学资料

13-3 氢原子光谱 13一、氢原子光谱的规律性 原子发光是重要的原子现象。

玻尔理论

原子光谱：电磁辐射的波长成分和强度分布的记录。 因为原子的体积很小，不能直接观测其结构，而不同 原子的辐射光谱特征完全不同，所以研究原子光谱的 规律是探索原子结构的重要线索。

华中科技大学经典物理学资料

各种元素的光谱都不是连续光谱而是分立的线光谱， 到1885年时人们已经在可见光和近紫外光谱区观察到 了氢原子的14条光谱线，波长最长的一条是红线，以 后各条谱线的强度和谱线间的间隔都随频率的增加而 递减，其中可见光的范围内有四条。

紫Hδ 4101.2Å连 续

红Hα 6562.1Å

H∞

青 γ H

深 Hβ 绿

3645.7Å

氢原子光谱和里德伯常数实验的原始数据及处理、实验误差分析、实验改进方案和实验感想

原始数据及处理

一、测量光栅常数

则有

i 1

5

i

5

10 13'36''

由dsin k （k 1， 589.3nm）得到：

589.3 10 9

d m 3.319 10 6m

sin sin(10 13'36'')

下面先进行u d 的合成：

由dsin lnd lnsin ln ，进而得到：

u d 1u cos u dsin

u u

故有u d d ，其中 为常数，u 0。

tan

进行不确定度计算：

ub

2 1' 0.289' 223

2

ii 15

ua 则u

5 4

2.471'

2.488'

ua 2 ub 2

2.488

u u -6m 1.331 10 8m u d d 3.319 10

tan tan10 13'36''

则光栅常数d最终表示为d u d 3.32 0.01 10 6m

氢原子光谱和里德伯常数实验的原始数据及处理、实验误差分析、实验改进方案和实验感想

二、测量里德伯常数

根据巴尔末系公式

11

RH 2 2

氢原子光谱和里德伯常数的测量及实

验改进方案

摘要：本文主要讨论使用透明光栅观察氢原子光谱和里德伯常数测量的实验原理、内容和数据处理；以及简单讨论使用闪耀光栅观察氢原子光谱和里德伯常数的实验原理和步骤。

一、 实验目的

1、 巩固、和提高从事光学实验和使用的光学仪器的能力（分光仪的调节和使用）；

2、 掌握光栅的基本知识和使用个方法；

3、 理解氢原子光谱的特点并用光栅衍射测量巴耳末系的波长和里德伯常数；

二、 实验原理

1、 光栅及其衍射

波绕过障碍物而传播的现象叫做衍射。具有周期性的空间结构（或性能）的衍射屏叫做“栅”。当波源与接受其距离衍射屏都是无限远的衍射叫做夫琅禾费衍射。

在玻璃上刻画一组等宽、等间距的平行狭缝就形成了一个透明光栅；在铝板上刻画出一组断面为锯齿形的刻槽就可以形成一个反射光栅；而晶格原子的周期性排列侧形成了天然的三位光栅（见图1）。

?d?b ? ?n ???N

图 1 透射光栅、反射光栅、三维光栅

本实验采用的是通过名叫复制的方法做成的透射光栅。它可以看成是平面衍射屏上开有宽度为b的平行狭缝，缝间的不透光部分的宽度为a，d=a + b 称为光栅常数（见图2）。

1

adPS?z图 2

①光栅的衍射可以看成是单缝衍