钠原子光谱

钠灯光谱
钠灯是一种常见的高压气体放电灯，其主要用途是在室外照明中。

钠灯的光谱特点主要来源于钠原子发射的黄光。

钠灯的光谱主要包含两个波长区域：黄光和红光。

其中，黄光波长为589.3纳米，属于可见光范围内的浅黄色。

这是钠原子从激发态回到基态时发射的光线。

而红光波长为589.0纳米，也是钠原子发射的光线之一。

除了主要的黄光和红光外，钠灯的光谱还包含一些其他波长的辐射，但相对较弱。

这些辐射可能来自于其他元素或杂质。

总结来说，钠灯的光谱主要由黄光和红光组成，这是因为钠原子发射的特定波长的光线。

这使得钠灯在室外照明中具有高能效和良好的穿透力。

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。

实验二十 钠原子光谱引言研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现。

钠原子是一个多电子原子，原子序数为11，既有稳定的满内壳层，又有自由电子，既存在着原子核和电子的相互作用，又存在着电子之间的相互作用，还有电子自旋运动与轨道运动的相互作用，其光谱结构比较简单，即可用吸收光谱，也可用发射光谱进行研究，在激光光谱日益发展的今天，钠光谱仍是深入研究的对象之一。

一、实验目的1、WGD-8型组合光栅光谱仪拍摄钠原子光谱的实验方法；2、测定钠光谱线的波长，通过里德伯关系计算钠原子能级和量子亏损，并绘出能级图。

二、实验原理在原子物理中，氢原子光谱的规律告诉我们：当原子在主量子数为2n 与1n 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示：2221~n R n R −=ν, (1) 式中R 为里德伯常量(109 677.581−cm )．当21=n ，2n ＝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。

实验二 钠原子光谱碱金属是元素周期表中的第一列元素（H 除外），包括Li 、Na 、K 、Rb 、Cs 、Fr ，是一价元素，具有相似的化学、物理性质。

碱金属原子的光谱和氢原子光谱相似，也可以归纳成一些谱线系列，而且各种不同的碱金属原子具有非常相似的谱线系列。

碱金属原子的光谱线主要由4个线系组成：主线系、第一谱线系（漫线系）、第二辅线系（锐线系）和柏格曼线系（基线系）。

碱金属原子与氢原子在能级方面存在差异，而且谱线系种类也不完全相同。

原子实的极化和轨道贯穿理论很好的解释了这种差别。

进一步对碱金属原子光谱精细结构的研究证实了电子自旋的存在和原子中电子的自旋与轨道运动的相互作用，即自旋－轨道相互作用，这种作用较弱，由它引起了光谱的精细结构。

钠原子光谱及其相应的能级结构具有碱金属原子光谱和能级结构的典型特征。

本实验通过钠原子光谱的观察与分析，加深对有关原子结构、原子内部电子的运动、碱金属原子的外层电子与原子核相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解，在分析光谱线和测量波长的基础上，计算钠原子中价电子的各能级和相应的量子亏损，绘制钠原子的部分能级图。

【实验原理】原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。

1885年，巴尔末（J.J.Balmer ）根据人们的观测数据，发现了氢光谱的规律，提出了著名的氢光谱线的经验公式。

氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起了重要作用。

根据玻尔理论或量子力学中的相关理论，可得出对氢及类氢离子的光谱规律为： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=222111~n n R H ν （2—1） 其中，ν~为波数，HR 为氢的里德伯常数（109 677.58cm ）,1n 和2n 为整数。

钠是碱金属原子，核外有11个电子，其中622221p s s 这10个电子形成稳定的满壳层结构，并与原子核共同组成原子实，在最外层只有一个价电子。

在这一点上又与最简单的氢原子相似，因此纳原子光谱中各谱线的波数ν~，也可以用下列关系式表示： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=222111~n n R ν （2—2） 其中 R 为里德伯常数 (＝109737.31cm -1 )，在氢原子光谱中，1n 和2n 都是正整数，相应于 1n ＝1，2，3，···等值，分别有赖曼谱系，巴耳末谱系，帕邢谱系等。

1-2钠原子光谱-图文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n2和n1的上、下能级之间跃迁时，其发射光谱的波数为11~1(EE)R，（1.2.1）2122hcn1n2其中E1与E2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~TT，（1.2.2）12T为光谱项,对于氢原子，光谱项可写成TRH。

（1.2.3）n2碱金属（Li，Na，K，Rb，C，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。

因此，电子的能量与n和l都有关系，即每个主量子数为n的能级分为n个子能级。

离子实的极化（离子实正负电荷中心不重合）与贯穿（价电子穿入离子实封闭电子壳层）都会使价电子受到附加的吸引作用，因此能量比氢原子体系的能量要低。

钠原子发射光谱实验目的：1、通过对钠原子光谱的观察与分析加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用级轨道自旋相互作用的了解。

2、在分析光谱线和测量波长的基础上计算钠原子在不同轨道上运动时的量子数之损3、绘制钠原子的能级跃迁图，并与氢原子的能级进行比较。

实验仪器：钠灯光源 光栅光谱仪 计算机实验原理：对钠原子光谱的研究能使我们获得有关原子结构，原子内部电子的运动，碱金属原子的外层电子与原子核相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的知识，并能对电子自旋的发现和元素周期表做出解释。

（一） 原子光谱的产生：1、原子的壳层结构原子是由原子核与绕核运动的电子所组成。

每一个电子的运动状态可用主量子数n 、角量子数l 、磁量子数l m 和自旋量子数S m 等四个量子数来描述。

主量子数n ，决定了电子的主要能量E 。

角量子数l ，决定了电子绕核运动的角动量。

电子在原子核库仑场中在一个平面上绕核运动，一般是沿椭圆轨道运动，是二自由度的运动，必须有两个量子化条件。

这里所说的轨道，按照量子力学的含义，是指电子出现几率大的空间区域。

对于一定的主量子数n ，可有n 个具有相同半长轴、不同半短轴的轨道，当不考虑相对论效应时，它们的能量是相同的。

如果受到外电磁场或多电子原子内电子间的相互摄动的影响，具有不同l 的各种形状的椭圆轨道因受到的影响不同，能量有差别，使原来简并的能级分开了，角量子数l 最小的、最扁的椭圆轨道的能量最低。

磁量子数l m (轨道方向的量子数)，决定了电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分量。

所有半长轴相同的在空间不同取向的椭圆轨道，在有外电磁场作用下能量不同。

能量大小不仅与n 和l 有关，而且也与l m 有关。

自旋量子数S m （自旋方向量子数）,决定了自旋角动量沿磁场方向的分量。

电子自旋在空间的取向只有两个，一个顺着磁场；另一个反着磁场，因此，自旋角动量在磁场方向上有两个分量。

电子的每一运动状态都与一定的能量相联系。

钠原子光谱目的要求：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．科学小史：(1)原子光谱及光谱研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现．钠原子是一个多电子原子，既存在着原子核和电子的相互作用，又存在着电子之间的相互作用，还有电子自旋运动与轨道运动的相互作用．光谱是用来鉴别物质、发现新元素和确定它的化学组成的重要依据。

光谱分为发射光谱和吸收光谱两大类。

物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。

其中炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱；而稀薄气体或金属蒸气的发射光谱是一些不连续的亮线，叫做明线光谱。

明线光谱是由游离态的原子发射的，所以也叫原子光谱。

还有一些物质的发射光谱呈带状，是由该元素的原子团或分子发射的，叫做带状光谱或分子光谱。

吸收光谱是指高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光），通过物质时，某些波长的光波物质吸收后产生的光谱。

所以吸收光谱是以连续光谱为背景的若干条暗线。

各种原子的吸收光谱中的每条暗线，都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。

每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线又叫做原子的特征谱线。

特征谱线为光谱分析技术的应用、研究和发展，提供了可靠的基础和保障。

光谱分析就是使用分光镜、分光仪、单色仪、摄谱仪、投影仪、记录仪和计算机等光谱仪器和分析仪器，通过对各类光谱的产生、拍摄、观察、记录等手段对物质进行定性或定量的检测、分析与研究。

它在我国国民经济中，特别是地质、矿产部门有着广泛的应用，在现代航天事业和对外星球的探测中，光谱分析有着更广阔的发展前景。

我们选了十幅有代表性的各类光谱图例。

a．氢的明线光谱；f．高压汞灯的明线光谱；b．氦的明线光谱；g．荧光灯的明线光谱；c．氩的明线光谱；h．钠的吸收光谱；d．钢的明线光谱；i．白炽灯的连续光谱；e．氙的明线光谱；j．太阳的连续光谱（其中有暗线）。

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。