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多功能光栅光谱仪的使用 -氢(氘)、钠原子发射光谱的研究 孟 祥 省 物 理 工 程 学 院 一、原理 仪器设备 WGD－8A型组合式多功能光栅光谱仪，由 光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放 大器， A/D采集单元，计算机组成。该设备集 光学、精密机械、电子学、计算机技术于一 体。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置(C -T)型，如图所示。 光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时， 出射光通过狭缝S2到达光电倍增管。用CCD做探测器时， 转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S3到达CCD，CCD 可以同时探测某一个光谱范围内的光谱信号。 光信号经过倍增管(或CCD)变为电信号后，首先经 过前置放大器放大，再经过A/D变换，将模拟量转变成 数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、 光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件 根据需要设置。前置放大器的增益现为1，2，… ，7七 个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高 压也分为1，2，… ，7七个档次，数越大所加的负高压 越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可 以在10ms-40s之间任意改变。 扫描控制是利用步进电机控制正弦机构(根据光栅 方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦 机构。)中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步 进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度， 相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一 组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变 0.1nm。 图2-2 正弦机构原理 N O G B x 本仪器主要做发射光谱实验！ 所谓发射光谱就是物质在高温状态或因受到带电粒子 的撞击而激发后直接发出的光谱。由于受激时物质所处 的状态不同，发射光谱有不同的形状，在原子状态中为 明线光谱，如钠灯、汞、氢氘灯等。在分子状态中为带 光谱，如氮放电灯；在炽热的固态、液态或高压主气体 中为连续光谱，如钨灯、氘灯等。 由于不同的元素的原子能级结构各不相同，每种元素 的光谱也犹如人的指纹一样具有自己的特征。特别是一 种元素都有被称为“住留谱线” (RU线)特征谱线，如 果试样的光谱中出现了某种元素的“住留谱线”，就是 说试样中含有该元素。 是元素A的理论里德伯常量， z是元素A的核电荷数， n1,n2为整数， m和e是电子的质量和电荷，是真空介电 常量， c是真空中的光速， h是普朗克常量， MA是核的 质量。 由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子光谱规律为： 上式的 显然， RA随A不同略有不同，当MA → ∞时，便得到里德 伯常量： 可见RD和RH是有差别的，其结果就是D的谱线相对于H 的谱线会有微小位移，叫同位素位移。 应用到H和D有： 所以 式中 是已知值。 注意，式中各 是指真空中的波长。 同一光波，在不同介质中波长是不同的。 我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中 的波长转换成真空中的波长。但在实际测量当中，受 所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。 也就可以计算出RH , RD和里德伯常量 ， 同时还可计算出D,H的原子核质量比： 是能够直接精确测量的量， 测出 钠光谱实验 钠原子由一个完整而稳固的原子实和它外面的一个 价电子组成。原子的化学性质以及光谱规律主要决定 于价电子。 与氢原子光谱规律相仿，钠原子光谱线的波数可 以表示为两项差 其中 为有效量子数，当 无限大时， 为线系限的波数 , 它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数 不是 整数，而是主量子数n减去一个数值 Δ ，即量子修正 Δ ，称为量子缺。量子缺是由原子实的极化和价电子 在原子实中的贯穿引起的。 碱金属原子的各个内壳层均被子电子占满，剩下 的一个电子在最外层轨道上，此电子称为价电子，价 电子与原子的结合较为松散，与原子核的距离比其他 内壳层电子远得多，因此可以把除价电子之外的所有 电子和原子核看作一个核心，称为原子实。 钠原子光谱项 T= 由于价电子电场的作用，原子实中带正电的原子核 和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移，于是 负电荷的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。 极化产生的电偶极子的电场作用于价电子，使它受到 吸引力而引起能量降低。同时当价电子的部分轨道穿 入原子实内部时，电子也将受到原子产的附加引力， 降低了势能，此即轨道贯穿现象。 原子能量的这两项修正都与价电子的角动量有关， 角量子数 越小，椭圆轨道的偏心率就越大，轨道贯穿 和原子实极化越显著，原子能量也越低。因此，价电 子越靠近原子实，即n越小、 越小时，量子缺Δ越大 (当n较小时，量子缺主要决定于l，实验中近似认为 Δ与n 无关)。 在钠原子光谱的四个线