第四章：碱金属原子和电子自旋
锂、钠、钾、铷、铯、钫
化学性质相仿、都是一价、电离电势都比较小，容易被电离，具有金属的一般性质。
一、碱金属原子的光谱
1、四个线系（锂为例）：其他碱金属光谱系相仿，只是波长不同
主线系:波长范围最广，第一条线是红色的，其余在紫外，系限2299.7埃；
第一辅线系（漫线系）：在可见部分；
第二辅线系（锐线系）：第一条线在红外，其余在可见部分；
伯格漫线系（基线系）：全在红外。
2、巴尔末氢原子光谱规律：,5,4,3),1-21(1~22===nnRvHλ
碱金属原子光谱：2*∞-~~nRvvn= R为里德伯常数，当，所以∞v~是线系限的波数，且有效量子数*n不是整数，Δ==-*nTRn
3、碱金属原子的光谱项：22*Δ)-(nRnRT==
4、同一线系的有效量子数与主量子数差别不大；与某一量子数对应不同线系的有效量子数差别明显，引进角量子数加以区分：
5、每一线系线系限波数恰好是另一线系第二谱项值中最大的那个。
共振线：主线系第一条。
6、碱金属原子氢原子能级的比较
n很大时，碱金属原子能级 很接近氢原子能级；
n较小时，碱金属原子能级 与氢原子能级相差大; 且n 相同，
l不同的能级高低差别很大。
二、原子实极化和轨道贯穿：原子=原子实+价电子
1、原子实：碱金属原子中的电子具有规则组合，共同点是在一个完整的结构之外，多余一个电子，这个完整而稳固的结构称为原子实。由于原子实的存在，发生原子实的极化和轨道在原子实中的贯穿。
2、价电子：原子实外的那个电子称作价电子。价电子在较大的轨道上运动，与原子实结合不是很强，容易脱离。它决定元素的化学性质，在较大的轨道上运动。
3、原子实的极化：由于价电子的电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心发生微小相对位移，于是负电的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。
① 角量子数l小：轨道偏心率大(椭圆)，极化强，能量影响大；
碱金属原子光谱的精细结构形成的原因
首先，要了解碱金属原子光谱的形成原因，需要了解碱金属原子的电子结构。碱金属原子的电子层结构是由一个核心和一系列电子壳层组成。核心是由质子和中子组成的，在其周围围绕着一系列电子壳层，每个壳层包含一定数量的电子。这些电子被分布在壳层的不同能级上，根据每个能级上的电子数目不同，可以产生多种谱线。
其次，光谱的形成还与量子力学的原理有关。根据量子力学的原理，原子的能量是量子化的，即只能取离散的能级。当原子受到激发时，电子会从低能级跃迁到高能级，吸收能量，形成吸收谱线。当电子从高能级回到低能级时，会释放出能量，形成发射谱线。这些发射和吸收的能量差决定了谱线所对应的波长和频率。
具体到碱金属原子的光谱，碱金属原子由于电子结构的特殊性质，光谱呈现出特定的精细结构。碱金属原子的电子结构具有剩余电子，这些电子并非完全填满最外层的壳层，而是具有一个不完全填满的外层电子，称为价电子。这一特点导致了碱金属原子光谱的精细结构。
具体来说，碱金属原子的光谱通常由两个部分组成：主谱线和杂谱线。主谱线是由于电子在基态到第一激发态之间的跃迁产生的，这些跃迁是由于价电子从外层壳层跃迁到内层壳层所导致的。杂谱线是由于电子在激发态之间的跃迁产生的，这些跃迁是由于价电子在外层壳层之间的跃迁所导致的。
这种精细结构的形成可以归因于量子力学的选择定则和电子的自旋。量子力学的选择定则规定了电子跃迁的条件，只有符合一定的选择定则的电子跃迁才是允许的。电子的自旋是一个量子力学的属性，具有两个可能的取值，分别为自旋向上和自旋向下。当电子在不同能级之间跃迁时，必须满足量子力学的选择定则和自旋守恒定律。
总之，碱金属原子光谱的精细结构形成的原因主要与碱金属原子的电子结构和量子力学的选择定则和自旋守恒定律有关。通过理解碱金属原子的电子结构和量子力学的原理，我们能够更好地解释碱金属原子光谱中的谱线形成和精细结构的特点。
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）
谱线位置/nm 相对强度 半值全宽/nm 重要特点 测量备注 谱线证认 理论位置/nm
330.72 127.2 0.19 仅看到单 Na I3s--4p 330.24330.30 峰
404.67 37.9
K I4s—5p 404.41
404.97 15.6 404.72
416.25 61.3 背景光
Ar
I(?)4s—5p 415.86
一、实验目的
（1） 通过所学的理论知识解释碱金属光谱与氢原子光谱的异同点
（2） 分析碱金属原子的谱线规律并用实验证明之
（3） 学会光栅光谱仪的使用方法（及其结构），校准光谱仪并正确测定钠原子光谱
（4） 由钠原子光谱的波长显示计算光谱项，量子缺和主量子数，学会用里德伯表解决这一复杂问题
（5） 绘制钠原子能级图及氢原子能级图，并作对比
（6） 根据钠原子黄双线波长差，估算钠原子实有效电荷数和内部磁场
（7） 查找相关文献，对本次实验结果进行讨论分析，试图寻找创新点
二、实验原理
A、 钠原子光谱
（1） 碱金属原子的光谱和氢原子光谱相似，但在能级和谱线系种类方面有所不
同（如下表所示）。我们可以用原子实的极化和轨道贯穿理论很好地解释差别。
表一：钠氢原子光谱对比
氢原子光谱 钠原子光谱
光谱项 （ ）
（ ）
能级
（ ）
（
）
发射光谱线波数
（ ）
（ ）（*）
注：① 为主量子数， 为有效量子数， 称量子缺、
② 主要取决于轨道量子数 , 越小，电子轨道的偏心率越大，量子缺
也越大。
（2）在（1）表中公式（*）还可写成
（ ）
（ ）
表示（ , ）跃迁到（ ， ）,把
（ ） 作为固定项，记作 ，固定 ，则一系列 构成一个光谱线系，用 符号表示各线系。 分别用 表示。 表二：钠原子光谱的四个线系
主线系 锐线系 漫线系 基线系
跃迁类型 3s--np 3p--ns 3p--nd 3d--nf
n值 n=3,4,5,… n=4,5,6,… n=3,4,5,,,, n=4,5,6,…
