第四部分光譜分析實(shí)驗(yàn)

第四部分光譜分析實(shí)驗(yàn)第1頁(yè)，共17頁(yè)，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(lái)測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)組分的。自然界中存在的不同物質(zhì)都是由不同元素的原子所組成的，而原子都是由一個(gè)結(jié)構(gòu)緊密的原子核及繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。每個(gè)電子處在一定的能級(jí)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(dāng)原子受到外界能量（如熱能、電能等）的作用時(shí)，原子由于與高速運(yùn)動(dòng)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(yè)，共17頁(yè)，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(shí)間內(nèi)便會(huì)躍遷到基態(tài)或其他較低能級(jí)中，此過(guò)程中將釋放出多余的能量，這種能量是一般是以一定波長(zhǎng)電磁波的形式輻射出去的（還可能發(fā)生另一種情況，此時(shí)激發(fā)態(tài)原子在與另一粒子發(fā)生碰撞的過(guò)程中，將能量傳遞給該粒子而沒(méi)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(jí)、低能級(jí)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(zhǎng)，C為光速。第3頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光譜分析就是用識(shí)別這些元素的特征光譜來(lái)鑒別元素是否存在（定性分析）、或根據(jù)光譜線的強(qiáng)度來(lái)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(nèi)容。應(yīng)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(zhì)中不同原子的能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的光譜線來(lái)研究物質(zhì)的化學(xué)組成。發(fā)射光譜分析的實(shí)際過(guò)程如下：使試樣在外界能量的作用下轉(zhuǎn)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(dāng)從較高的能級(jí)躍遷到較低的能級(jí)時(shí)，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(duì)所產(chǎn)生的輻射進(jìn)行色散分光，按波長(zhǎng)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(jìn)行定性或定量的分析。第4頁(yè)，共17頁(yè)，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(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

3.觀測(cè)設(shè)備

a、光譜投影儀

b、比長(zhǎng)儀177176012345678910第6頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

實(shí)驗(yàn)一氫原子光譜的研究

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、通過(guò)測(cè)量可見(jiàn)光區(qū)域氫光譜的譜線波長(zhǎng)，證明巴爾末規(guī)律的正確性，從而加深對(duì)波爾理論的理解。

2、測(cè)定氫的里德堡常數(shù)，對(duì)近代測(cè)量技術(shù)所能達(dá)到的測(cè)量精度有一個(gè)初步了解。

3、掌握攝譜儀、比長(zhǎng)儀、映射儀等基本光譜儀的使用。第7頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、實(shí)驗(yàn)原理原子光譜的規(guī)律反映了原子的電子殼層結(jié)構(gòu)的規(guī)律，所以光譜是了解原子結(jié)構(gòu)的重要手段。為了弄清原子光譜的規(guī)律，可以從最簡(jiǎn)單的原子——?dú)湓尤胧?。氫原子具有最?jiǎn)單的殼層結(jié)構(gòu)，它的光譜也是最簡(jiǎn)單的。氫光譜由若干相互獨(dú)立的光譜線系構(gòu)成，較易得到的為其中的五個(gè)，其中在可見(jiàn)光區(qū)的只有一個(gè)，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(qiáng)度和間隔有規(guī)律的遞減。

HαHβHγHδ

第8頁(yè)，共17頁(yè)，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(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．熟悉WGD－5組合式多功能光柵光譜儀的使用。2．實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是測(cè)出氫光譜在可見(jiàn)區(qū)域的譜線波長(zhǎng)。測(cè)量波長(zhǎng)的方法見(jiàn)WGD－5組合式多功能光柵光譜儀的介紹（附錄）。四、實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟自擬。六、數(shù)據(jù)處理

1、從測(cè)得的氫譜線波長(zhǎng)，求出其倒數(shù)，尋求合適的n值，使1/λ和1/n有直線關(guān)系，如(2)式所示，驗(yàn)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(biāo)，1/n為橫坐標(biāo)的曲線圖得出。由于λ可測(cè)得很精確，于是圖必須有足夠的精度，運(yùn)算時(shí)也應(yīng)采用相應(yīng)的計(jì)算工具。2、將精測(cè)所得λ值與對(duì)應(yīng)的n值代入(2)式，求出氫的里德堡常數(shù)，并從測(cè)量λ的誤差定出所得RH的誤差。與公認(rèn)的RH值比較，看它們是否在誤差范圍之內(nèi)相符。3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鞒鰬?yīng)有的結(jié)論。說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的波長(zhǎng)是氫譜線在空氣中的波長(zhǎng)，在計(jì)算RH值時(shí)，嚴(yán)格講應(yīng)該以真空中的波長(zhǎng)代入（2）式來(lái)計(jì)算，用空氣中的波長(zhǎng)計(jì)算大約會(huì)有萬(wàn)分之三的系統(tǒng)誤差。第10頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)二鈉原子的發(fā)射光譜

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、了解鈉原子光譜的產(chǎn)生、接受和分析方法；

2、辨認(rèn)鈉光譜中各線系的譜線，并用直線內(nèi)插法測(cè)量波長(zhǎng)；

3、畫(huà)出鈉原子的能級(jí)圖，并求出鈉原子的共振電勢(shì)和電離電勢(shì)。

4、進(jìn)一步掌握攝譜儀、比長(zhǎng)儀、映射儀等基本儀器的使用。第11頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、實(shí)驗(yàn)原理近代人們對(duì)于原子與分子光譜的研究，在建立現(xiàn)代關(guān)于原子與分子結(jié)構(gòu)的概念上起了決定性的作用。光譜學(xué)在物理學(xué)中也形成獨(dú)立的一支，并且成功的應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。這里我們通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)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(jià)電子的軌道躍遷而產(chǎn)生的。價(jià)電子在原子核和其他諸電子組成的“原子實(shí)”的場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。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(xué)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(jià)電子離原子實(shí)越遠(yuǎn)，軌道越接進(jìn)于圓形，當(dāng)價(jià)電子離原子實(shí)足夠遠(yuǎn)時(shí)，其軌道因原子實(shí)的極化而引起攝動(dòng)，當(dāng)L較小時(shí),價(jià)電子離原子實(shí)十分接近,以至于軌道的一部分將穿入原子實(shí)的內(nèi)部，L越小，軌道愈扁，其貫穿原子實(shí)的程度也愈深，因而價(jià)電子運(yùn)動(dòng)所受的攝動(dòng)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(duì)于鈉原子來(lái)說(shuō)，RNa=1.01735×105/cm),h為普朗克常數(shù)，C為真空中光速。ΔL為一負(fù)的改正數(shù)，它主要與角量子數(shù)L和原子序數(shù)有關(guān)，叫量子改正數(shù)，n*＝n+ΔL稱為有效量子數(shù)。第12頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、實(shí)驗(yàn)裝置和材料（一）攝譜在本實(shí)驗(yàn)中我們用水晶棱鏡攝譜儀來(lái)攝譜。為了能從所攝光譜中辨認(rèn)出鈉光譜線并標(biāo)識(shí)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(shí)要將食鹽(NaCl)填入碳棒端頭的小孔內(nèi)，作下電極，用純碳棒作上電極，碳電極和食鹽本身越純?cè)胶?，并要保持其清潔，不然在所拍的光譜中混有雜線，會(huì)給分析帶來(lái)困難。在拍攝這三個(gè)光譜的時(shí)候，底板盒均不動(dòng)，而只是移動(dòng)攝譜儀狹縫前的哈特曼光欄的上、中、下三個(gè)孔，這樣可以避免底板盒移動(dòng)帶來(lái)的誤差。選擇不同的曝光量，按上述次序拍攝幾組譜線，并對(duì)拍好的底片進(jìn)行暗室處理及干燥。

第13頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（二）識(shí)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(diǎn)辨認(rèn)之。主線系的譜線比較強(qiáng)，并包含有該元素的最強(qiáng)的線，只有這條線在可見(jiàn)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(jiàn)光區(qū)可測(cè)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(jiàn)光區(qū)也可測(cè)得3-4條譜線，其特征是譜線比較漫散模糊，同時(shí)各線系譜線的強(qiáng)度和距離都有一定的遞減規(guī)律，這可作為辨認(rèn)譜線的最好依據(jù)，如果所用之?dāng)z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(jié)構(gòu)。在主線系中，雙線的波長(zhǎng)差隨著波長(zhǎng)的減小而減?。辉阡J線系中，雙線的波長(zhǎng)差不變；曼線系是三條線構(gòu)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(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（三）測(cè)量波長(zhǎng)將各條線系所屬之譜線認(rèn)定后，在比長(zhǎng)儀上測(cè)定它們的波長(zhǎng)，在本實(shí)驗(yàn)中，我們用所謂直線內(nèi)插法求波長(zhǎng)，如圖一所示，如果未知波長(zhǎng)λx的譜線位于兩條已知波長(zhǎng)λ1、λ2的譜線之間而且當(dāng)λ1與λ2的差Δλ＝λ2-λ1很小時(shí)，我們就可應(yīng)用公式：

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

第16頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（五）、注意事項(xiàng)：（1）由于電弧激發(fā)時(shí)，通過(guò)的電流很大（3-6安培），所以實(shí)驗(yàn)中拍攝過(guò)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(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格分開(kāi)不能混亂。（2）攝譜儀譜箱處附有標(biāo)尺，按波長(zhǎng)刻度，所拍出譜線的波