原子光譜與光譜技術.doc

緒言光譜學是物理學史上現(xiàn)代期的先導，在人類認識物質結構中發(fā)揮著重要的作用。 光譜學的發(fā)現(xiàn)可以追溯到十七世紀的牛頓，他為了說明彩虹的形成，1666年用分光鏡把白光分解成光譜，他正確地解釋了這是由于不同光線折射率不同引起的，可以說是牛頓開創(chuàng)了光譜學的研究。正如著名物理學家斯托列托夫所說，牛頓的偉大實驗開辟了整個光譜學。以后的一百多年在光譜學的研究并沒有重大進展，直至十九世紀初才開始進一步研究，光譜的性質逐漸被人所認識，并愛到了重視。1859年本生和基爾霍夫制成了第一臺棱鏡光譜儀。開始了光譜與物質組成的關系，確認各種物質都具有自己的特征譜線，從而開創(chuàng)了光譜化學分析這一學科領域。由于光譜分析對鑒定物質化學成份的巨大意義，導致了光譜研究的急驟發(fā)展和應用。很快地就有人把分光鏡用于天文觀測，立即得到了重大發(fā)現(xiàn)，知道天上的物質與地上一樣，而當時地上沒看到過的氦元素，則是先從太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的，接著，分光鏡為填滿元素周期表的空缺立下了巨大功勞。光譜學的最大特色之一是許多不可接觸和不許損傷的對象，別的儀器和別的方法無能為力時，可以用光譜方法解決問題。典型的如天文對象、高溫物體（火焰之類）、放電氣體可以說，在分子和原子層次上物質作分析研究，主要是用光譜方法。20世紀初的物理學革命，是從光譜的實驗現(xiàn)象引發(fā)的。普朗克的量子論就是為解釋空腔黑體的光譜強度提出的，玻爾的氫原子能級理論是以氫原子光譜為根據(jù)建立的，著名的塞曼效應、拉曼效應等等，為量子力學理論和現(xiàn)代物理實驗技術的發(fā)展打下了豐厚而堅實的基礎。 光譜學識一門歷史悠久、古老的學科，又是一門充滿生機和活力的學科。它的創(chuàng)造性進展和應用仍然日新月異，尤其是近30多年來，激光和計算機技術的成就，使光譜學和光譜技術出現(xiàn)了全新的面貌，得到了越來越廣泛的應用。 本單元實驗由塞曼效應、氫氘光譜實驗、喇曼光譜實驗組成，這些實驗在物理學的發(fā)展史上起過重要里程碑的作用，為人類認識物質的微觀結構及其他眾多學科的發(fā)展提供了必要的理論基礎和實驗方法。學習這些實驗的目的，是為了學習和研究光譜技術和原子結構的基本原理、實驗方法、分析方法及其在多學科領域的應用。 塞曼效應塞曼效應是物理學史上一個著名的實驗。荷蘭物理學家塞曼(Zeeman)在1896年發(fā)現(xiàn)把產生光譜的光源置于足夠強的磁場中，磁場作用于發(fā)光體，使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應。塞曼效應是法拉第磁致旋光效應之后發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應。這個現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對光的電磁理論的有力支持，證實了原子具有磁距和空間取向量子化，使人們對物質光譜、原子、分子有更多了解；特別是由于及時得到洛侖茲理論的解釋更受到人們的重視。塞曼效應另一引人注目的發(fā)現(xiàn)是由譜線的變化來確定離子的荷質比的大小、符號。根據(jù)洛侖茲(H.A.Lorentz)的電子論，測得光譜的波長，譜線的增寬及外加磁場強度，即可稱得離子的荷質比。由塞曼效應和洛侖茲的電子論計算得到的這個結果極為重要，因為它發(fā)表在J、J湯姆遜(J、J Thomson) 宣布電子發(fā)現(xiàn)之前幾個月，J、J湯姆遜正是借助于塞曼效應由洛侖茲理論算得的荷質比，與他自己所測得的陰極射線的荷質比進行比較具有相同的數(shù)量級，從而得到確實的證據(jù)，證明電子的存在。塞曼效應被譽為繼X射線之后物理學最重要的發(fā)現(xiàn)之一。1902年塞曼與洛侖茲因這一發(fā)現(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學獎。至今，塞曼效應依然是研究原子內部能級結構的重要方法。實驗通過觀察并拍攝Hg(546.1nm)譜線在磁場中的分裂情況，測量其裂距并計算荷質比e/m。氫氘光譜原子光譜是研究原子結構的一種重要方法。1885年，巴爾末（J.J.Balmer）根據(jù)人們的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了氫光譜的規(guī)律，提出了著名的氫光譜線的經驗公式。氫光譜規(guī)律的發(fā)現(xiàn)為玻爾理論的建立提供了堅實的實驗基礎，對原子物理學和量子力學的發(fā)展起了重要作用。1932年尤里（H.C.Urey）根據(jù)里德堡常數(shù)隨原子和質量不同而變化的規(guī)律，對重氫賴曼線系進行攝譜分析，發(fā)現(xiàn)氫的同位素-氘的存在。 同位素是英國人索迪于1911年開始使用的。1919年英國物理學家阿斯頓（F. W. Aston）制成了用來分離不同質量并測定粒子質量的粒子質譜儀，把研究同位素的方法提高了一大步。 在譜線上，同位素對應的譜線會發(fā)生移位，稱同位素移位。移位大小