第四部分光譜分析實驗

第四部分光譜分析實驗第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三一、發(fā)射光譜分析的基本原理發(fā)射光譜分析是根據(jù)原子所發(fā)射的光譜來測定物質的化學組分的。自然界中存在的不同物質都是由不同元素的原子所組成的，而原子都是由一個結構緊密的原子核及繞核運動的電子組成。每個電子處在一定的能級上，具有確定的能量，在正常情況下，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，它的能量是最低的，這種狀態(tài)稱為基態(tài)。但當原子受到外界能量（如熱能、電能等）的作用時，原子由于與高速運動的氣態(tài)粒子和電子相互碰撞而獲得了能量，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到更高的能態(tài)上，這種狀態(tài)稱為的原子的激發(fā)態(tài)。第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，在極短的時間內便會躍遷到基態(tài)或其他較低能級中，此過程中將釋放出多余的能量，這種能量是一般是以一定波長電磁波的形式輻射出去的（還可能發(fā)生另一種情況，此時激發(fā)態(tài)原子在與另一粒子發(fā)生碰撞的過程中，將能量傳遞給該粒子而沒有電磁波的發(fā)射），其輻射的能量可用下式表示：

ΔE=E2—E1=hν＝hc/λ

式中E2、E1分別為高能級、低能級的能量，通常以電子伏特為單位，h為普朗克常數(shù)；ν及λ分別為發(fā)射電磁波的頻率及波長，C為光速。第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三光譜分析就是用識別這些元素的特征光譜來鑒別元素是否存在（定性分析）、或根據(jù)光譜線的強度來判斷元素的含量（定量分析）。這就是發(fā)射光譜分析的基本內容。應注意，一般所謂“光譜分析”，通常就是指發(fā)射光譜分析，更確切地講是"原子發(fā)射光譜分析”，就是根據(jù)物質中不同原子的能級躍遷所產生的光譜線來研究物質的化學組成。發(fā)射光譜分析的實際過程如下：使試樣在外界能量的作用下轉變成氣崐態(tài)原子，并使氣態(tài)原子的外層電子激發(fā)到高能態(tài)。當從較高的能級躍遷到較低的能級時，原子將釋放出多出的能量而發(fā)射出特征譜線。用攝譜儀對所產生的輻射進行色散分光，按波長順序記錄在感光板上，就可呈現(xiàn)出有規(guī)則的譜線條，即光譜圖，這樣就可根據(jù)所得光譜圖進行定性或定量的分析。第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三二、光譜分析儀器

1、光源

a、直流電弧光源

b、交流電弧

c、高壓火花發(fā)生器

2、光譜儀（攝譜儀）棱鏡攝譜儀光路示意圖

第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

3.觀測設備

a、光譜投影儀

b、比長儀177176012345678910第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

實驗一氫原子光譜的研究

一、實驗目的

1、通過測量可見光區(qū)域氫光譜的譜線波長，證明巴爾末規(guī)律的正確性，從而加深對波爾理論的理解。

2、測定氫的里德堡常數(shù)，對近代測量技術所能達到的測量精度有一個初步了解。

3、掌握攝譜儀、比長儀、映射儀等基本光譜儀的使用。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三二、實驗原理原子光譜的規(guī)律反映了原子的電子殼層結構的規(guī)律，所以光譜是了解原子結構的重要手段。為了弄清原子光譜的規(guī)律，可以從最簡單的原子——氫原子入手。氫原子具有最簡單的殼層結構，它的光譜也是最簡單的。氫光譜由若干相互獨立的光譜線系構成，較易得到的為其中的五個，其中在可見光區(qū)的只有一個，即巴爾末線系。巴爾末線系中明亮的譜線有四條，如圖所示，圖中各譜線的強度和間隔有規(guī)律的遞減。

HαHβHγHδ

第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三

RH=109677.581±0.008/cm-1R∞=109737.3177±0.00083/cm-1第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三三、實驗內容1．熟悉WGD－5組合式多功能光柵光譜儀的使用。2．實驗的主要內容是測出氫光譜在可見區(qū)域的譜線波長。測量波長的方法見WGD－5組合式多功能光柵光譜儀的介紹（附錄）。四、實驗儀器本實驗用的儀器包括拍攝譜用的WGD－5組合式多功能光柵光譜儀，氫光譜光源。五、實驗步驟實驗步驟自擬。六、數(shù)據(jù)處理

1、從測得的氫譜線波長，求出其倒數(shù)，尋求合適的n值，使1/λ和1/n有直線關系，如(2)式所示，驗證所選各n是否為連續(xù)的整數(shù)，且為3，4，5，……，由此所得的1/λ1/n曲線與直線吻合到什么程度？以上可以由1/λ為縱坐標，1/n為橫坐標的曲線圖得出。由于λ可測得很精確，于是圖必須有足夠的精度，運算時也應采用相應的計算工具。2、將精測所得λ值與對應的n值代入(2)式，求出氫的里德堡常數(shù)，并從測量λ的誤差定出所得RH的誤差。與公認的RH值比較，看它們是否在誤差范圍之內相符。3、根據(jù)實驗目的，作出應有的結論。說明：實驗中測得的波長是氫譜線在空氣中的波長，在計算RH值時，嚴格講應該以真空中的波長代入（2）式來計算，用空氣中的波長計算大約會有萬分之三的系統(tǒng)誤差。第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三實驗二鈉原子的發(fā)射光譜

一、實驗目的

1、了解鈉原子光譜的產生、接受和分析方法；

2、辨認鈉光譜中各線系的譜線，并用直線內插法測量波長；

3、畫出鈉原子的能級圖，并求出鈉原子的共振電勢和電離電勢。

4、進一步掌握攝譜儀、比長儀、映射儀等基本儀器的使用。第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三二、實驗原理近代人們對于原子與分子光譜的研究，在建立現(xiàn)代關于原子與分子結構的概念上起了決定性的作用。光譜學在物理學中也形成獨立的一支，并且成功的應用于生產實際中。這里我們通過對簡單原子的光譜的分析了解光譜分析的基本方法。堿金屬（Li,Na,K……）原子的光譜是由堿金屬原子中價電子的軌道躍遷而產生的。價電子在原子核和其他諸電子組成的“原子實”的場中運動。其軌道的形狀和大小是由主量子數(shù)n和角量子數(shù)L決定的，在光譜學中L＝0，1，2，3……的各軌道的電子狀態(tài)各以S,p,d,f等稱之，L越大，價電子離原子實越遠，軌道越接進于圓形，當價電子離原子實足夠遠時，其軌道因原子實的極化而引起攝動，當L較小時,價電子離原子實十分接近,以至于軌道的一部分將穿入原子實的內部，L越小，軌道愈扁，其貫穿原子實的程度也愈深，因而價電子運動所受的攝動也愈大，因此具有同一n而不同L的各軌道，便有不同的能量Wnl。這里各種軌道的能量用下式表示

Wnl=-Rhc/(n+ΔL)=-Rhc/n*2

式中R為里德伯常數(shù)（對于鈉原子來說，RNa=1.01735×105/cm),h為普朗克常數(shù)，C為真空中光速。ΔL為一負的改正數(shù)，它主要與角量子數(shù)L和原子序數(shù)有關，叫量子改正數(shù)，n*＝n+ΔL稱為有效量子數(shù)。第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三三、實驗裝置和材料（一）攝譜在本實驗中我們用水晶棱鏡攝譜儀來攝譜。為了能從所攝光譜中辨認出鈉光譜線并標識它，共需拍三種光譜。首先用純碳棒作上下電極，拍攝碳光譜；然后拍攝鈉光譜，拍攝鈉光譜時要將食鹽(NaCl)填入碳棒端頭的小孔內，作下電極，用純碳棒作上電極，碳電極和食鹽本身越純越好，并要保持其清潔，不然在所拍的光譜中混有雜線，會給分析帶來困難。在拍攝這三個光譜的時候，底板盒均不動，而只是移動攝譜儀狹縫前的哈特曼光欄的上、中、下三個孔，這樣可以避免底板盒移動帶來的誤差。選擇不同的曝光量，按上述次序拍攝幾組譜線，并對拍好的底片進行暗室處理及干燥。

第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三（二）識譜獲得良好的譜片后，在映譜儀上把所拍鈉光譜和與它并排的純碳光譜作比較，從而確定出鈉的譜線，然后再確定各線系所屬之譜線，這可根據(jù)鈉原子各線系的特點辨認之。主線系的譜線比較強，并包含有該元素的最強的線，只有這條線在可見光區(qū)，其余都在紫外光區(qū)。銳線系的第一條譜線在紅外區(qū)，在可見光區(qū)可測得3-4條譜線，其特征是譜線比較銳利清晰，曼線系的第一條譜線在紅外區(qū)，在可見光區(qū)也可測得3-4條譜線，其特征是譜線比較漫散模糊，同時各線系譜線的強度和距離都有一定的遞減規(guī)律，這可作為辨認譜線的最好依據(jù)，如果所用之攝譜儀色散率較大，則可看出鈉原子的各線系均為雙線或三線結構。在主線系中，雙線的波長差隨著波長的減小而減??；在銳線系中，雙線的波長差不變；曼線系是三條線構成的，基線系因超出儀器接受范圍，散在紅外部分看不到。第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三（三）測量波長將各條線系所屬之譜線認定后，在比長儀上測定它們的波長，在本實驗中，我們用所謂直線內插法求波長，如圖一所示，如果未知波長λx的譜線位于兩條已知波長λ1、λ2的譜線之間而且當λ1與λ2的差Δλ＝λ2-λ1很小時，我們就可應用公式：

λx＝λ1+Δλ*d1/d2第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三（四）計算及作圖

第16頁，共17頁，2023年，2月20日，星期三（五）、注意事項：（1）由于電弧激發(fā)時，通過的電流很大（3-6安培），所以實驗中拍攝過鈉光譜之碳電極已吸收有鈉，以后再不能作純碳電極用。所以實驗時應嚴格分開不能混亂。（2）攝譜儀譜箱處附有標尺，按波長刻度，所拍出譜線的波