文档介绍：钠原子光谱的观测与分析
实验者:梁家伟合作者:窦家琪实验日期: 指导老师:余云鹏
摘要:
本实验采用 WGD-8A 型光栅光谱仪观测 GY 一 5 型钠光灯发射出的钠原子光谱。通过Na原子光谱分辨出Na原子光谱的各线系,计算量子缺,然后绘制能级图,本实验能计算出的量子缺与标准值相差很小。
关键词:Na原子光谱、量子缺、能级、线系、光谱、双黄线。
引言
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
研究使我们了解原子内部电子的运动并导致电子自旋的发现和元素周期表的解
释。通过对氢原了光谱的研究,人们认识到电子围绕原子核运动时只能处于一系
列能量不连续的状态,获得了关于氢原子结构的知识。对于多电子原子,除了原
子核和电子的相互作用外,还存在着电子之间的相互作用,电子的自旋运动和轨
道运动的相互作用也更为显著。本实验以钠原子光谱为例,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互作用以及自旋与轨
道运动相互作用的了解,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

钠原子光谱的线系
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功,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
,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,轨道进入原子实的部分越多,原子实的极化也越显著,因而原子的能最减少得越多。与主量子数 n 相同的氢原子相比,碱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 数值越小,能量越小;l 越大,越接近相应的氢原子能级。
若不考虑电子自旋和轨道运功的相互作用引起的能级分裂,可以把光谱项表示为:
(1)
式中 n,l 分别是屯量子数和轨道量子数, Z x* 是原子实的平均有效电荷, Zx* >1.
因此还可以把上式改写为:

(2)
Dl 是一个与 nl 都 j 和有关的正的修正数,称为量子缺。理论计算和实验观测都表
明,当n不是很大时,量子缺的大小主要决定于 l,而随 n 的变化不大。本实验
中近似认为它是一个和 n 无关的量。
电子由上能级跃迁至下能级时,发射光谱谱线的波数可以用下式表示:

(3)
Na原子光谱有四个线系:
主线系(P 线系): 3S~nP, n=3,4,5,…
漫线系(D 线系): 3P~nD, n=3,4,5,…
锐线系(S 线系): 3P ~nS, n=3,4,5,…
基线系(F 线系): 3D~nF, n=3,4,5,…
在钠原子光谱的四个线系中,只有主线系