钠金属光谱

钠原子光谱的拍摄与分析试验目的：通过对钠原子光谱的观察、拍摄和分析，加深对碱金属原子中外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动的相互作用的了解。

实验器材：钠光灯、光栅摄谱仪、光电倍增管、A/D接口、计算机和相应软件系统。

实验原理：1、钠原子光谱的线系：碱金属原子只有一个价电子，所以和氢原子类似，但是由于价电子在原子实中贯穿的程度和引起原子实极化的程度与价电子的量子态有关，所以电子的能量与量子数n,l都有关。

钠原子光谱有四个线系：主线系：3S—nP，有自吸收线，仅共振线在可见区漫线系：3P—nD，谱线展宽明显锐线系：3P—nS，谱线比较清晰基线系：3D—nF，全部在红外区2、钠原子光谱的双重结构：由于电子自旋和轨道运动的相互作用使能级分裂，钠原子光谱显示出双重结构。

主线系光谱线双重结构的两个成分中短波成分与长波成分的强度比为2:1，而锐线系和漫线系则相反。

实验步骤：1、打开光源、光电倍增管、计算机电源，进入软件界面，定标光电管位置。

2、调整光源位置和单色仪的两个狭缝宽度，初步测量300nm—620nm间的谱线分布和相对强度。

3、调整光源位置，分别测量记录不同强度的各个谱线，依据共振线定标。

4、记录各个谱线的位置、强度、特点等数据。

5、退出软件系统，关闭所有仪器。

数据处理：原始测量数据：（范围：300nm—620nm负高压：6增益：6采集次数：10）定标误差曲线：（用处见后面问题思考）对证认了的Na的谱线的计算：能级数据表格：能级图：对于3p轨道有效电荷的计算：而用双重结构的波数差计算：问题思考：1、在光路的设计上，应当把狭缝尽量放小，而光源在需要时可以尽量接近狭缝，使得在保证光强的同时尽量使单色仪的分辨率提高。

2、可以通过把光源移近和拉远两次扫描并对比所得光谱，来得到每条光谱线的来源信息：如果来自于钠光灯，则光源移近后增强明显，反之则为杂散光（普通日光灯也是发射线）。

3、共振线在弥散较强烈的发射线背景上有一条吸收线。

嘉应学院物理系大学物理学生实验报告实验项目：实验地点：班级：姓名：座号：实验时间：年月日物理与光信息科技学院编制实验预习部分一、实验目的：本实验通过对钠原子光谱的观察、拍摄与分析，加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解，在分析光谱线系和测量波长的基础上，计算钠原子的价电子在不同轨道运动时的量子缺，绘制钠原子的部分能级图．二、实验仪器设备：1．用一般的玻璃棱镜摄谱仪，可拍摄到可见光区的谱线；石英棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪则可拍摄到紫外、可见、红外光区的全部谱线．2．哈特曼光栏（见图1.3.1）是摄谱仪的重要附件，利用光栏的A部分可以改变摄谱仪的狭缝高度；还可以利用哈特曼光栏B部分的三个小孔和固定底片盒, 并排拍摄铁谱和钠谱，以便测定钠谱线的波长．3．利用光谱投影仪或比长仪和铁光谱标准图对比，可以辨认及测量出钠原子光谱各线系谱线的波长．4．为了冲洗所拍摄的光谱底片，在暗房中备有整套的冲洗工具：定时钟、显影及定影药水等．5．里德伯表（见表1.3.1）．三、实验原理：在原子物理中，氢原子光谱的规律告诉我们：当原子在主量子数n2与n1的上下两能级间跃迁时, 它们的谱线波数可以用两光谱项之差表． ( 1.3.1)式中R为里德伯常数(109 677.58 cm-1 )．当n1= 2, n2= 3,4,5 ……,则为巴尔末线系．对于只有一个价电子的碱金属原子(Li，Na，K ….)其价电子是在核和内层电子所组成的原子实的库仑场中运动, 和氢原子有点类似, 但是, 由于原子实的存在，价电子处在不同量子态时，或者按轨道模型的描述，处于不同的轨道时，它和原子实的相互作用是不同的．因为价电子处于不同轨道时，它们的轨道在原子实中贯穿的程度不同，所受到的作用不同；还有，价电子处于不同轨道时，引起原子实极化的程度也不同，这二者都要影响原子的能量．即使电子所处轨道的主量子数n相同而轨道量子数l不同，原子的能量也是不同的，因此原子的能量与价电子所处轨道的量子数n、l都有关．轨道贯穿和原子实极化都使原子的能量减少，量子数l越小，轨道进入原子实部分越多，原子实的极化也越显著，因而原子的能量减少得越多．与主量子数n相同的氢原子相比, 金属原子的能量要小，而且不同的轨道量子数l对应着不同的能量．l值越小，能量越小；l越大，越接近相应的氢原子的能级．对于钠原子，我们可以用有效量子数n*代替n,来统一描述原子实极化和轨道贯穿的总效果．若不考虑电子自旋和轨道运动的相互作用引起的能级分裂，可把光谱项表示为T n1 = R / (n*2) = R / (n ?C Δl)2 (1.3.2)上式的Δl称为量子缺；而n* 不再是整数,由于Δl> 0,因此有效量子数n* 比主量子数n要小．理论计算和实验观测都表明，当n不很大时，量子缺的大小主要决定于l，而与n的关系很小，在本实验中近似认为它是一个与n无关的量．由于由上能级跃迁到下能级时，发射光谱谱线的波数可用下式表示：(1.3.3)式中n2* 与n1* 分别为上、下能级的有效量子数，n、Δl与n’、Δl分别为上下能级的主量子数与量子缺，式(1.3.3)以两个光谱项之差的形式表达了钠原子某一谱线的波数值, l及l’分别为上、下能级所属轨道量子数．如果令n’, l’固定, 而n依次改变(l的选择定则为l’ ?C l = ±1),则可得到一系列的值，从而构成一个光谱线系．在光谱学中通常用n’l’- nl这种符号表示线系, 当l＝0, 1, 2, 3 …时,分别以S, P, D, F …表示．钠原子光谱有四个线系:主线系(P线系) 3S ─n P n＝3,4,5，…漫线系(D线系) 3P ─n D n＝3,4,5，…锐线系(S线系) 3P ─nS n＝4,5,6，…基线系(F线系) 3D ─nF n＝4,5,6，…在各线系中，式(1.3.3)中n’, l’是不变的, 第一项称为固定项，以A n’l’表示；第二项称为可变项，因此式可写成：(1.3.4)钠原子光谱具有碱金属原子光谱的典型特征,一般可以观测到四个光谱线系, 分析钠原子谱线时, 可以发现以下几点:1．主线系和锐线系都分裂成双线结构．漫线系和基线系为三重结构(要用分辨率较高的仪器方可分辨)．对于不同的线系，这种分裂的大小和各线的强度比是不同的，但它们都是有规律的，这称为精细结构．这种精细结构可用电子自旋与轨道耦合而引起能级分裂来解释，本实验不准备作详细研究．2．主线系在可见光区只有一对共振线??即钠黄线，其余都在紫外光区．由于自吸收的结果，所得到的钠黄线实际上是一对吸收谱线．主线系各对谱线的间隔向短波方向有规律地递减．3．锐线系的谱线除第一条在红外区，其余在可见光区，通常可测到3～4条谱线, 谱线较明锐、边缘较清晰，各双线都是等宽的．4．漫线系的谱线除第一条在红外区, 其余亦在可见光区, 也可测到3～4条谱线, 但谱线稍弱，边缘漫散模糊．5．基线系在红外区，谱线很弱，本实验不作研究．用摄谱仪拍摄的光谱中，这些线系互相彼此穿插排列，根据强度、间隔和线型（精细结构），可以区分出属于同一线系的各条谱线，每个线系中的各条谱线的强度都是向短波方向很有规律地递减．实验预习部分四、实验步骤：1．拍摄钠原子光谱用光谱纯碳棒做电极，上电极磨成圆锥型、下电极顶端钻一个直径为2～3 mm的小洞, 把纯NaCl 结晶粉末放进小洞内，拍摄钠原子光谱．为了使每条待测谱线都有感光合适、适于观测的像，可以利用哈特曼光栏分别拍摄几组不同的钠光谱及供对比的铁光谱．（NaCl粉末对摄谱仪有锈蚀作用, 实验时要注意保持仪器清洁．）2．测量钠原子谱线的波数底片冲洗风干后，在光谱投影仪下认谱．并在比长仪下测量谱线．用内插法测量钠原子谱线的锐线系各谱线波长．各谱线波长测定后, 把波长换算成波数，即每一线系中相邻两谱线的波数差为(1.3.5) 为了计算方便，令n - Δl = m+α，其中为m整数，α为正小数，式(1.3.4)可写成:(1.3.6)算出后，可借助里德伯表直接查出m和α,代入n - Δl = m+α，已知n值, 即可求出Δl值．3．求固定项(1.3.7)4．绘制能级图计算出锐线系有关能级的光谱项值(T3p，T5s, T6s, T7s……)，以波数为单位，绘出钠原子的锐线系的能级图．为了比较起见，在同一能级图上画出主量子数相同的氢原子能级位置，氢原子能级的波数按下式计算：T(n) = R H /n2 （其中R H＝109 677.58 cm-1）*5．进一步实验参照上述各步骤，观察并测量钠原子谱线的漫线系各谱线的波长，计算线系中相邻两谱线的波数差，找出Δl值和固定值，绘出能级图。

高中物理课堂钠元素吸收光谱的简易观察方法在高中物理实验中，吸收光谱观察是一项重要实验内容。

它可以帮助我们观察钠元素的特性。

让学生更加清楚物理实验的概念和实践的过程。

下面将介绍一种简易的观察钠元素吸收光谱的方法。

首先，准备钠灯，其中有一根普通的白炽灯和一根钠灯，连接两者用电线，将白炽灯放置在低位，钠灯放置在高位。

其次，准备一台放大器，一个试片台和一个声学管，将放大器和试片台连接，在试片台上放置玻璃片，将声学管连接到放大器上，用声学管在玻璃片上放置一滴钠溶液。

然后，开始实验，先用白炽灯照射，然后慢慢开启钠灯，观察两种情况下用声学管读出的声音。

当用白炽灯照射时，声学管会发出嗡嗡的声音；当用钠灯照射时，声学管则会发出不同频率的嗡嗡声，由此可以得出钠元素吸收以及发射光谱的结论。

最后，实验结束后，要记得将电器断电。

以上就是用简单的钠灯和放大器来观察钠元素吸收光谱的方法，从实验中可以有效的获得各种物理知识，加深学生对光谱的理解。

另外，实验过程中要遵守安全规定，以防发生意外，同时针对性的设置钠灯，以确保实验结果的准确性。

总之，通过本文介绍了一种简易的钠元素吸收光谱的观察方法，希望能够给正在进行此项实验的学生提供帮助，以获得更为全面准确的实验结果。

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1.2钠原子光谱氢原子光谱和波尔理论给出了单纯正负电荷间相互吸引作用的电场量子化规律。

正确认识复杂原子光谱的规律，是完善波尔理论的必要条件。

在多电子原子体系中，碱金属原子只有一个价电子，与氢原子的结构相似，分析二者原子光谱的异同，是研究复杂原子光谱的切入点，不但认清了同种电荷间排斥作用的电场量子化规律，为解释元素的周期律奠定基础，还导致电子自旋的发现。

多电子原子中存在原子核-电子、电子-电子以及自旋-轨道多重相互作用。

通过拍摄钠原子光谱，在测量波长和分析光谱线系的基础上，根据价电子在不同轨道运动时的量子缺来理解电子-电子排斥作用对能级结构的影响，可以较全面地掌握光谱分析技术的基本方法。

一、实验目的（1）测量钠主线系的谱线波长；（2）了解原子光谱与原子结构的关系，求钠原子主线系的量子改正数（量子缺）。

二、实验原理原子中电子绕核运动的能量是量子化的。

电子从一个能级跃迁到另一能级, 就要辐射或吸收一定的能量，由此形成原子的发射光谱或吸收光谱。

电子在主量数为n 2和n 1的上、下能级之间跃迁时，其发射光谱的波数为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=22211211)(1~n n R E E hc γ， （1.2.1） 其中E 1与E 2分别表示上能级与下能级的能量，h 为普朗克常数，c 为光速, R 为里德伯常数。

每一谱线的波数都可以表达为两光谱项之差, 即21~T T -=γ ， （1.2.2） T 为光谱项, 对于氢原子，光谱项可写成2n R T H=。

（1.2.3） 碱金属（Li ，Na ，K ，Rb ，Cs ，Fr ）原子只有一个价电子，在由原子核和闭壳层电子组成的离子实库仑场中运动，具有和氢原子相仿的结构，但比氢原子和类氢离子（He 原子去掉一个核外电子形成的离子）要复杂。

这是由于碱金属原子中存在离子实的极化与贯穿，电子在主量子数n 相同、轨道量子数l （l = 1, 2, …, n - 1）不同的轨道上运动，其能量并不相同。

高中物理课堂钠元素吸收光谱的简易观察方法在高中物理课堂中，学习如何观察吸收光谱是一项重要的学习内容。

随着科学技术的发展，现在可以使用简易、经济型仪器进行钠元素吸收光谱的观察。

本文介绍如何利用可燃性元素流检测仪，通过简、单易行的操作，实现钠元素吸收光谱的观测。

首先，准备操作所需要的设备。

首先，准备一台可燃性元素流检测仪，其性能符合实验室的安全要求。

其次，准备一个专用的实验操作台，并在上面安装上可燃性元素流检测仪，此外，还需要准备一台普通的电脑，一台带屏幕的显示器及一台普通的电源，以便操作检测仪。

其次，准备好吸收光谱检测试剂。

一般情况下，需要使用浓硝酸溶液作为溶液，并添加钠元素，以形成吸收光谱检测的样品。

随后，对可燃性元素流检测仪进行设置。

设置完毕后，应先手动操作可燃性元素流检测仪，使其自动进行吸收光谱检测，并将该检测的结果记录在检测仪的内部存储器中，以备日后查看。

最后，将可燃性元素流检测仪的结果，通过电脑及显示器，绘制吸收光谱图，以便清晰地观察到钠元素的吸收光谱情况。

以上就是观察高中物理课堂钠元素的吸收光谱的简易观测方法，其中，利用可燃性元素流检测仪，结合电脑与显示器，可以简单地观测准确的钠元素吸收光谱。

该方法可以帮助高中生，在实验课堂上更好地学习和理解物理学相关知识。

本文介绍了在高中物理课堂如何使用简易方法观察钠元素的吸
收光谱。

本文以可燃性元素流检测仪为基础，结合普通电脑及显示器，通过简单易行的操作，即可实现检测吸收光谱的目的，进而获得准确的结果，有助于高中生们更好地学习和理解物理学知识。

实验 3­3 钠原子光谱对元素的光谱进行研究是了解原子结构的重要途径之一。

通过对原子光谱的研究，不仅让我们 了解了原子内部电子的运动，同时也导致了电子自旋的发现和对元素周期表的解释。

在对氢原子光谱的研究中， 人们认识到电子围绕原子核运动只能处于一系列能量不连续的状态， 从而获得了关于氢原子结构的知识。

但对于多电子原子，除了原子核和电子的相互作用外，还存着 电子之间的相互作用，而且电子的自旋运动和轨道运动的相互作用也更为显著。

为了更好地理解这 方面的知识，我们安排了钠原子光谱实验。

【实验目的】1、通过对钠原子光谱的观察和分析，加深对碱金属原子中外层电子与原子实相互作用以及自旋 与轨道运动相互作用的了解；2、在对光谱线系进行分析和波长测量的基础上，计算钠原子中价电子在不同轨道运动时的量子 缺，绘制钠原子的部分能级图，并根据双重线不同成分的波长差，计算价电子在某些轨道运动时原 子实的有效电荷。

【实验原理】（一） 钠原子光谱的线系为了比较与说明，我们先回忆一下氢原子的光谱规律。

对于氢原子光谱，人们早就发现它们的 光谱线的波数可以用两项值之差表示：2 1 2 2 n R n R - = n （3­3­1）式中 R 为里德伯常数。

若令 2 n =2， 1n =3、4、5……，则可得熟知的巴尔末线系。

碱金属原子只有一个价电子，价电子在核和内层电子组成的原子实的中心力场中运动，和氢原 子有点类似。

但是，由于原子实的存在，价电子处在不同量子态时，或者按轨道模型的描述，处于 不同的轨道时，它和原子实的相互作用是不同的。

这主要是因为：首先，价电子处于不同轨道时， 它们的轨道在原子实中贯穿的程度不同，所受到的作用不同；其次，价电子处于不同轨道时，引起 原子实极化的程度也不同。

这二者都要影响原子的能量。

即使电于所处轨道的主量子数 n 相同而轨 道量子数 l 不同，原子的能量也是不同的，因此原子的能量与价电子所处轨道的量子数 n,l 都有关。

§4.1 碱金属原子的光谱一、碱金属原子的光谱各个碱金属原子的光谱具有相似的结构，光谱线也类似于氢原子光谱，可分成几个线系，一般观察到的有四个线系，分别称为主线系、第一辅线系(或称漫线系、第二辅线系(或称锐线系)和柏格曼系(基线系)。

（1）主线系（the principal series ）：谱线最亮，波长的分布范围最广，第一呈红色，其余均在紫外。

（2）第一辅线系（漫线系the diffuse series ）：在可见部分，其谱线较宽，边缘有些模糊而不清晰，故又称漫线系。

（3）第二辅线系（锐线系the sharp series ）：第一条在红外，其余均在可见区，其谱线较宽，边缘清晰，故又称锐线系。

锐线系和漫线系的系限相同，所以均称为辅线系。

（4）柏格曼系（基线系the fundamental series ）：波长较长，在远红外区，它的光谱项与氢的光谱项相差很小，又称基线系。

二、线系公式H 原子光谱：)11()()(~22n m R n T m T -=-=ν当∞→n 时，2)(~~m R m T ==→∞νν⇒系限。

里德伯研究发现，与氢光谱类似，碱金属原子的光谱线的波数也可以表示为二项之差：)*1*1(~22**n m R T T n m -=-=ν **m n > ⇒碱金属原子的里德伯公式 *n 、*m ：有效量子数。

当∞→n 时，*~~m T =→∞νν⇒系限。

1．有效量子数H 原子：主量子数n 是整数碱金属原子：*n 、*m 不是整数⇒有效量子数2．量子数亏损*n 、*m 和整数之间有一个差值，用l ∆表示，*n n l -=∆ ⇒量子数亏损 l ∆与n 无关，与l 有关，→l 大，→∆l 小，=l 0、1、2、3……⇒ f d p s ,,,3．光谱项2**n R T n =⇔2)(nR n T =，*n ⇔n l n T n n T R n T T l n m ∆−−−→−−−−→−−−−→−-=∆=-=**~*~**νν151009729.1-⨯=cm R Li4．电子状态符号电子状态用量子数n 、l 、l m 描述对一定的n ，l =0、1、2……n -1，共n 个值。