實驗　原子發(fā)射光譜與吸收光譜的觀測與分析

1、實驗31原子發(fā)射光譜與吸收光譜的觀測與分析院系：理工學(xué)院光信息3班4號參加人實驗人：和河向053230862007.4.12實驗?zāi)康?、 學(xué)會使用光學(xué)多通道分析器的方法。2、 通過對鈉原子光譜的研究了解鈉原子光譜的一般規(guī)律。3、 加深對鈉金屬原子中外層電子與原子核相互作用以及自旋與軌道運動相互作用的了解。4、 了解紫外可見吸收光譜的基本規(guī)律。5、 初步學(xué)會測量物質(zhì)的吸收光譜。實驗儀器光學(xué)多通道分析器（WGD-6型）、光學(xué)平臺（GSZ-II型）、汞燈、鈉燈、溴鎢燈光源、計算機等。實驗原理一、 原子發(fā)射光譜1、 發(fā)射譜線鈉原子與氫原子相似，只有一個價電子，內(nèi)層電子與原子核構(gòu)成原子實。因此價電子在原

2、子實的力場中運動，情況又與氫原子不同。由實驗可知鈉原子的光譜線公式為：其中為光譜線的波數(shù)；R為里德伯常數(shù)；和n為原始態(tài)和終態(tài)的主量子數(shù)；和分別為始態(tài)和終態(tài)的軌道量子數(shù)；和分別為該量子數(shù)決定的能級的軌道量子數(shù)。 對于鈉原子的光譜，可分為一下四個系：主線系：np>3s n=2,3,4 銳線系：ns>3p n=4,5,6漫線系：nd>3p n=3,4,5基線系：nf>3d n=4,5,6這些譜線中，各線系所在光譜區(qū)域不同。主線系只有3p>3s的兩條譜線在可見區(qū)，其余在紫外區(qū)。鈉原子的主線系的第一組線就是有名的雙黃線。2、 吸收譜線光在一定波長范圍內(nèi)，若物質(zhì)對光的吸收不隨

3、波長而改變，叫做一般吸收；相應(yīng)的，若吸收隨波長而變，叫選擇吸收。任一介質(zhì)都是在一個波段范圍內(nèi)表現(xiàn)為一般吸收，在另一個波段范圍內(nèi)將可能表現(xiàn)為選擇吸收。紫外和可見光區(qū)的吸收光譜實質(zhì)是在電磁輻射的作用下，多原子分子的價電子發(fā)生躍遷而產(chǎn)生的分子吸收光譜（又稱為電子光譜）。媒介對光的吸收由朗伯定理和比爾定理描述。朗伯定理：設(shè)由一平面光波在一各向同性的均勻媒質(zhì)中傳播，經(jīng)厚度為的平行薄層后，光強從I變化到I+dI，則dI/I與成正比，即有，則，是0時的光強，為常數(shù)，叫吸收系數(shù)。在較多情況下，當氣體的分子或溶解在溶劑中的某些物質(zhì)的分子吸收光時，吸收系數(shù)與光波通過的路程上單位長度的內(nèi)吸收光的分子數(shù)也就是濃度c成

4、正比，即，則朗伯定理變?yōu)椤Ｈ粢詾橥高^率，以表示吸光率，則可得到比爾定律的數(shù)學(xué)形式： 或（）因此，得到的吸收譜線中的峰值表示介質(zhì)對這部分的光吸收較為強烈。3、 色散系統(tǒng)因為測量中的譜線通常很接近，因此要用到，色散系統(tǒng)將光譜分開以便觀察。本實驗中利用的是光柵攝譜儀。通過光柵對光線進行分光。分光原理在這里就不贅述了。實驗步驟1、 原子發(fā)射光譜的觀測。（1） 打開實驗裝置，對汞燈和鈉燈進行預(yù)熱。（2） 用光學(xué)多通道分析器對汞燈發(fā)射光譜進行拍攝，從440nm開始至540nm，每隔20nm，對所攝譜線進行定標；每次定標完成后，換上鈉燈進行雙黃線的測量。2、 原子吸收光譜的觀測。（1） 打開機器進行預(yù)熱。（

5、2） 用汞燈對440nm的光譜線進行定標，誤差是nm。換上溴鎢燈，觀測以水為本底的透射率曲線，并記錄保存。（3） 觀測以溴鎢燈通過不同濃度的高錳酸鉀溶液后的透射曲線，并參照以水為本底的溴鎢燈的透射率。定出高錳酸鉀溶液每條吸收期限的吸收峰波長并驗證比爾定律。實驗注意事項1、 調(diào)整光學(xué)多通道分析器的刀口時，要緩慢避免擰得太緊損壞刀口。2、 用汞燈或鈉燈測量時要避免別的光源的干擾。3、 拿比色皿時要拿有毛玻璃的面，測量的過程要保證溴鎢燈在同一位置上。測量不同濃度的吸收譜線時盡量把比色皿放在同一位置。實驗數(shù)據(jù)處理一、 鈉原子發(fā)射光譜的觀測。放上汞燈，調(diào)整出合適的三個峰值，對其發(fā)射光譜的三條標準譜線波長

6、值進行定標。它們分別是：綠色546.07nm 黃色576.96nm 黃色578.97nm。圖4圖3圖2圖1定標過程包括手動定標（圖1），曲線擬合（圖2），得到定標坐標（圖3），對鈉燈雙黃線的光譜進行測量（圖4）。得到不同定標下對鈉雙黃線波長的測量值如表1所示。表1鈉雙黃線的測量123456汞燈定標 /nm440.1459.3479.7500.2520.2540.6鈉雙黃線1 /nm588.360588.568588.660588.702588.712588.774鈉雙黃線2 /nm588.939589.145589.167589.206589.218589.278可知鈉雙黃線的波長為：標準誤差

7、為：0.06nm所以588.620.06（nm）同理：標準誤差為：0.05nm所以589.160.05 nm可見，鈉的雙黃線的波長分別為588.62nm和589.16nm，測量所得結(jié)果誤差較小，在誤差允許范圍內(nèi)基本達到實驗要求?？梢詮牟煌亩怂鶞y的結(jié)果看到：隨著定標波長的增大，所測得的雙黃線的波長也會不斷的增大。為什么會出現(xiàn)這樣的情況，我是不能解析的。二、原子吸收光譜的觀測圖50.01濃度的吸收曲線圖60.0125濃度的吸收曲線以溴鎢燈通過水的吸收后的光強為基準，以溴鎢燈透過不同濃度的高錳酸鉀溶液的吸收后的光強為，則可以繪出吸光度，的光譜線。如圖5(a)11(a)所示，利用高斯擬合，可以得到

8、擬合曲線圖5(b)10(b)。并可以得到各濃度的高錳酸鉀溶液的吸收曲線的吸收峰波長，見列表27。圖80.025濃度的吸收曲線圖70.02濃度的吸收曲線圖100.1濃度的吸收曲線圖90.05濃度的吸收曲線表20.01濃度的吸收峰波長序號12345峰值波長/nm482.81503.74526.22545.66572.45表30.0125濃度的吸收峰波長序號123峰值波長/nm493.42546.31573.36表40.02濃度的吸收峰波長序號1234峰值波長/nm507.42362537.44447560.80021580.08191表50.025濃度的吸收峰波長序號1234峰值波長/nm503.

9、29719526.88934543.72685566.44037表60.05濃度的吸收峰波長序號12345峰值波長/nm482.62505.93526.22545.34567.97表70.1濃度的吸收峰波長序號123456峰值波長/nm484.27507.16535.22542.75553.02566.44對峰值點的擬合，有的用了4個高斯函數(shù)，而有些用了6個，峰值點的設(shè)定主要由曲線的形狀決定，以盡量符合原來圖形的變化趨勢。對于半寬的選擇也是以符合圖形為主，一般選在1015之間。但是存在的問題是濃度是0.0125的曲線在603.28nm之后的曲線中出現(xiàn)了為負數(shù)的情況?？赡苁歉鶎嶒炛械碾s散光的影響

10、和做0.0125濃度的樣品時樣品擺放的位置有影響。需要說明的是，在做0.0125濃度的樣品的觀測時，發(fā)現(xiàn)樣品的外表面上有指紋和樣品的溶液殘留，后來用清水清洗了器皿后重新實驗，可能負值的產(chǎn)生也與此有關(guān)。因此實際使用數(shù)據(jù)時應(yīng)把這部分的數(shù)值去掉不用。驗證比爾定律。選取在同一波長下不同濃度對溴鎢燈光源的吸光度為縱坐標，以濃度為橫坐標。繪出Ac曲線，若滿足線性關(guān)系則可驗證比爾定律。由不同濃度的吸收峰波長表2至7可知，選擇545nm時的各濃度的吸光度為縱坐標C (濃度)0.010.01250.020.0250.050.1A(吸光度)0.0730.0730.2150.2590.4720.617為好，此時基本

11、每條曲線都在其極大值附近。因此可得到，Ac關(guān)系表如表8所示。表8不同濃度下的吸光度利用Origin6.1對數(shù)據(jù)進行擬合，得到的擬合曲線如圖11所示。圖11驗證比爾定律的曲線其中擬合的方程為：A=Bc 其中B=7.090.70 擬合到的數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.95。可見，實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)比較接近線性分布。從圖11可見，擬合點的誤差較大，但數(shù)據(jù)點都均勻地分布在直線的兩側(cè)，線性相關(guān)系數(shù)比較接近于1，也可以在一定程度上驗證了比爾定律。出現(xiàn)比較大誤差的原因與數(shù)據(jù)點的選取和繪圖時點的不連續(xù)性有關(guān)。但首先的原因是測量的方法和步驟引起的。樣品的放置和測量的方法會引起誤差。測量時譜線不可能很穩(wěn)定，要由人判斷相對穩(wěn)定的那條譜線作為結(jié)果，其中也會引入誤差。實驗總結(jié)本實驗主要基于多通道光學(xué)分析器（WGD-6型）這個自動智能的分析儀器，配合計算機進行數(shù)據(jù)的采集和分析，使對原子吸收光譜和發(fā)射光譜的觀測分析變得易于實現(xiàn)。利用已知的汞燈的光譜線進行定標，可測出鈉光譜雙黃線的波長，也可測出高錳酸鉀對溴鎢燈光源的吸收情況?？梢哉f定好標是這個實驗的第一步。此外，對于做光學(xué)實驗要求的耐心、小心、嚴謹，雖然實驗儀器精密也是要堅持的。思考題1、 鈉原子光譜有四個線系組成，主線系只有兩條譜線是在可見區(qū)，其余在紫外區(qū)，主線系強度較大，銳線系輪廓清晰，慢線系顯得彌漫，主線系和銳線系是雙線的，慢線系和基線系是復(fù)雙重線的，