钠原子光谱实验报告 华科大近代物理实验
应用物理学0903班
钠原子光谱实验报告
钠原子光谱实验报告
一、 实验目的
1、了解平面光栅的结构特点和用光栅衍射分光的原理 2、了解光学多道分析器的组成及功能，学习用光学多道分析器测量光谱
3、测量钠原子的光谱，并将结果与理论值进行对照分析原子结构
4、由所测光谱结果，计算该原子的里德伯常数
二、实验内容
1、用汞灯作为标准光源来标定，然后测量钠原子谱线 2、测量钠原子的光谱计算钠原子的里德伯常数R 三、实验原理
原子发射光谱是处于激发态的原子回到基态时发出的光谱。每种元素原子的发射光谱都有自身的特征谱线。不同元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同。
1、首先我们要讨论原子如何被激发而产生光辐射？ 在实验中我们用原子发光灯来产生光辐射
2、光源中大量原子发出的不同波长的复合光怎么分解成按波长顺序排列的谱线？
在实验中我们采用反射式平面衍射光栅实现分光。当一束包含不波长的平行光从某角度i入射到光栅后，各个槽面所产生的衍射光将叠加，考虑波长为λ的衍射光，产生干涉极大的条件是
j
d(sini±sinβj)=mλj
式中d为光栅常数，m为整数表示干涉级。
3、用什么方法和仪器检测光谱中各谱线的波长和强度？ 在实验中采用光学多道分析器实现光谱的测量和处理。光谱中各谱线的波长和强度的测量主要是由CCD功能块和微机多道功能块实现，线阵CCD由若干CCD光电转换单元排列而成，它能将光栅分析的若干准单色光，但由于CCD阵列单元数目的限制，它又不可能把全部光谱接受下来CCD将光信号转换为电信号后，经扫描、放大、A/D变换等电路又变换为数字信号。在记录光谱时，道作为横坐标，对应光波长（或光子能量），而纵坐标（实际就是每个存储计数器的计数）对应的是光的强度（或光子数）。
4、原子光谱的相关知识
当电子从主量子数为n的En能级跃迁到主量子数为m的Em能级时，发射光谱的波数为
=γ
1hc
(Em
⎛11⎫
-En)=R -⎪
⎝mn⎭
由于价电子和原子实的相互作用，表现为原子实的极化和价电子轨道贯穿原子实的作用，因此使得钠原子的能级与氢原子的能级有显著的不同，因此光谱项中的主n用有效的量子数n*代替
Tnl=
Rn
*2
=
R
(n-∆l)
2
=
R
(n/Zσ
*
)
2
在这个实验中测量的双黄线是由3P跃迁到3S的，如果不考虑电子自旋的话双黄线应该是一条线，这条线的波长满足公式
1
λ
=
R
(3-∆s)
2
-
R
(3-∆p)
2
考虑电子的自旋的话这条谱线将分裂成两条谱线，也就是我们所观察
到双黄线。老师所给的质量亏损为在验中，因为
精细结构对最后实验结果的计算影响很小，所以我们取双黄线波长的平均值来作为这条谱线的波长值。可求得里德伯常数的表达式
R=
1
11
λ
(3-∆s)
λ
2
-
1
(3-∆)
p
2
其中为双黄线波长的平均值。
四、实验装置
WGD—6型光学多道分析器，汞灯，钠原子灯 五、实验过程
1、打开WGD—6型软件处理系统，选择光栅为600条进行实验 2、将汞灯移近仪器窗口，调节窗口大小谱线峰值不要太饱和 3、用汞灯作为标准光源进行标定 4、测量钠原子光谱谱线
注：由于钠原子光谱的双黄线的波长在500nm到600nm，因此在标定时，选取在一范围的汞灯的谱线进行标定
六、实验记录
在实验过程中，考虑到钠原子双黄线的波长，在用汞灯进行标定时我们汞灯用波长为546.07nm，576.96nm和579.07nm三条线来标定
下面是第二组实验时标定的图像（第一组的图像不知道为什么不放大，一放大就看不清了，因此在报告中我们没有用第一组的图像）
图上的三条线的波长分别为546.07nm，576.96nm和579.07nm 下面我们用标定的好的波长来测量钠原子的光谱的谱线
在测量钠原子的光谱谱线时，打算观察在535nm到694nm的钠原子的光谱的谱线，但是钠原子在这范围的谱线却如下图所以示
由图所示在535nm到694nm的波长范围内只有双黄线的，因此我们在实验中只记录了双黄线的波长，没有记录其它谱线的波长
实验记录的第一组数据
计算得到里德伯常数R
第二组数据
1
=110351cm
-1
计算得到里德伯常数R
2
=110360cm
-1
第二组数据的双黄的图像
第三组数据
里德伯常数R
第三组双黄线的图像
3
=110343cm
-1
根据以上三组数据计算的里德伯常数求得平均值为
R=
110351cm
-1