用多功能光柵光譜儀進(jìn)行鈉光譜測量實(shí)驗(yàn)

4用多功能光柵光譜儀進(jìn)展鈉光譜測量試驗(yàn)堿金屬原子的光譜和氫原子光譜相像，也可以歸納成一些譜線系列，而且各種不同的堿金屬原子具有格外相像的譜線系列。堿金屬原子的光譜線主要由4個(gè)線系組成：主線系、第一譜線系〔漫線系、其次輔線系〔銳線系〕和柏格曼線系〔基線系。進(jìn)一步對(duì)堿金屬原子光譜精細(xì)構(gòu)造的爭論證明白電子自旋的存在和原子中電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用，子光譜和能級(jí)構(gòu)造的典型特征?！驹囼?yàn)?zāi)康摹?、加強(qiáng)學(xué)生對(duì)光柵光譜儀的原理和根本組件的了解。2、對(duì)鈉原子光譜的進(jìn)展測量和分析，加深對(duì)相關(guān)理論的理解與把握。3、由鈉原子光譜確定各光譜項(xiàng)值及能級(jí)值,量子缺Δ?！驹囼?yàn)器材】本試驗(yàn)用到的儀器主要有：WGD-8A多功能光柵光譜儀，鈉光燈，計(jì)算機(jī)。射狹縫，入射狹縫發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡后成為平行光投射到色散系統(tǒng)。色散元件通常為棱鏡，光柵和法布里-珀羅干預(yù)儀。色散元件為光柵的光譜儀稱作光柵的光譜圖。1 2 3光電倍增管接收器CCD入射狹縫1-1WGD-8/8A1-2電箱正視圖1 2 3 4 5 6負(fù)高壓調(diào)整 6電源開關(guān)負(fù)高壓指示 7USB訊號(hào)線USB8CCD工作指示通訊指示

單色儀電纜線光電倍增管電纜線10 9 8 7WGD－8A器，A/D〔C-T〕型，如圖2-1所示。2-1切爾尼-特納光路圖1光電信號(hào)31光電信號(hào)31前置放大器2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖負(fù)高壓增益掌握信號(hào)放大的光電信號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源負(fù)高壓電源負(fù)高壓掌握信號(hào)系統(tǒng)掌握信號(hào)步進(jìn)電機(jī)掌握信號(hào)//變換變換電子計(jì)算機(jī)光譜數(shù)字信號(hào)2-3光譜儀的探測器為光電倍增管或CCDS2到達(dá)光電CCDM1S3CCD，CCD可以同時(shí)探測某一個(gè)光譜范圍內(nèi)的光譜信號(hào)。光信號(hào)經(jīng)過倍增管〔或CCD〕變?yōu)殡娦盘?hào)后，首先經(jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過A/D變換，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，最終由計(jì)算機(jī)處理顯示。前置放大器的增益壓和CCD1，2，…，7七個(gè)檔次，數(shù)越大放大器的增益越高。光電倍增管的負(fù)高壓也分為1，2，…，7200V。CCD的積分時(shí)間可以在10ms-40s之間任意轉(zhuǎn)變。機(jī)在輸入一組電脈沖后，就可以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，相應(yīng)地絲杠上螺母就移動(dòng)一個(gè)固定的距離。每輸入一組脈沖，光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)便使出射狹縫出射的光波長轉(zhuǎn)變0.1nm。2-4nnΒ”n”βφθα2-4閃耀光柵的原理圖圖中的n為光柵外表的法線，n’為刻痕工作外表的法線；β和β’是相對(duì)于刻痕工作n’的入射角和反射角；φ和θnd為光柵常數(shù)；α為刻痕工作外表與光柵外表的夾角；a光柵面的法線n的方向的夾角為時(shí)，而衍射角為時(shí)，取一級(jí)衍射項(xiàng)時(shí)，光柵方程式為：d(sin＋sin)=因此當(dāng)光柵位于某一個(gè)角度時(shí)肯定，波長與d的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)可以讓不同波長的光進(jìn)入出射狹縫，從而測出該光波的波長和強(qiáng)度值?！驹囼?yàn)原理】鈉原子由一個(gè)完整而穩(wěn)固的原子實(shí)和它外面的一個(gè)價(jià)電子組成。與氫原子光譜規(guī)律相仿，鈉原子光譜線的波數(shù)

可以表示為兩項(xiàng)差

R nn*

……………(1)其中n

為有效量子數(shù)，當(dāng)n無限大時(shí)，n

,

為線系限的波數(shù)鈉原子光譜項(xiàng)R RT n*2 (n)2它與氫原子光譜項(xiàng)的差異在于有效量子數(shù)n不是整數(shù)，而是主量子數(shù)nΔ，即量子修正Δ，稱為量子缺，量子缺是由原子實(shí)的極化和價(jià)電子在原子實(shí)中的貫穿引起的，nl越小時(shí)，量子缺Δ越大〔n較小時(shí)，量子缺主要打算于l，試驗(yàn)中近似認(rèn)為Δn。鈉原子光譜一般可以觀看到四個(gè)譜線系。3s-npn=3,4,5589.3nm，其余皆在紫外區(qū)。由于自吸取的結(jié)果，所得鈉黃線實(shí)際為吸取譜線。3s-npn=3,4,5818.9nm,其余皆在可見區(qū)域.銳張系強(qiáng)度較弱,但譜線邊緣較清楚3s-npn=3,4,1139.3nm,其余皆在可見光區(qū).基線系:3s-nfn=3,4,5….其譜線強(qiáng)度很弱,皆在紅外區(qū).鈉原子光譜系有精細(xì)構(gòu)造,其中主線系和銳線系是雙線構(gòu)造,漫線系和基線系是三線構(gòu)造.各譜線系的波數(shù)公式為:R

R(n≥3)n (3)2 (n)2sR pR銳線系:

(n≥4)n (3)2 (n)2p s

R R漫線系:

n (3p

)2 (nd

)2 (n≥3)

Rn (3)2d

R(n)2f

(n≥4) (2)其中s

,, ,p d

的下標(biāo)分別表示角量子數(shù)l=0,1,2,3,R1光譜項(xiàng)值確實(shí)定1由測得的同一線系各光譜線的波 n ，同一線系的相鄰譜線的波數(shù)分別為 n

數(shù)定出該線系的各光譜項(xiàng) T及線系限 n

R/(n)2 (3)n1

R/(n1)2 (4)相鄰譜線的波數(shù)差n

n1

n

R/(n)2R/(n1)2R/n*2R/(n*1)2 (5)按上式可由相鄰的波數(shù)差求得n,由此可求出各光譜項(xiàng)RT(n)R/n*2的值.由

(n)2

…………………(6) n

n

T(n) (7)又可求出各線系的 值.由光譜項(xiàng)確定能級(jí)基態(tài)能級(jí)為

hc (8)基他各激發(fā)態(tài)能級(jí)Ehc(n n

)……………(9)因此,由主線系,銳線系,漫線系,基線系可以分別寫npnsndnf確定主量子數(shù)和量子缺在每一線系,計(jì)算相鄰兩條譜線的波數(shù)差,由里德伯插值表求出相應(yīng)的m和a,再由nma求出量子缺n.或者由氫原子TR/n2在較高能級(jí)(n大)時(shí),鈉原子與氫原子的能量相等,定出n再由n及n*求出Δ,nn*【試驗(yàn)內(nèi)容及步驟】WGD-8AΔ?！舅伎碱}】如何求出入射狹縫的最正確寬度？光柵光譜儀的理論區(qū)分本領(lǐng)如何計(jì)算？怎樣測量它的實(shí)際區(qū)分本領(lǐng)？比較光柵光譜儀的理論區(qū)分本領(lǐng)和實(shí)際區(qū)分本領(lǐng)，說明兩者差異大的緣由。附:8A4-2鈉原子能級(jí)圖

1、主線系〔P〕3S～np n=3，4，5…A：n=3 3S～3p 5890A° 5896A°B：n=4 3S～4p 3302A° 3303A°C：n=5 3S～5p 2852.8A°2853A°……2、漫線系〔D〕 3p-nD n=3，4，5…A：n=3 3p-3D 8183A°8195A°B：n=4 3p-4D 5682A° 5688A°……3、銳