文档介绍：发射光源光谱特性的研究
氢原子的结构最简单,它的谱线明显地具有规律,早就为人们所注意。各种原子光谱线规律性的研究正是首先在氢原子上得到突破的。氢原子又是一种典型的最适合于进行理论与实验比较的原子。二十世纪上半叶中对氢原子光谱的种种研究在量子论的发展中多次起过重要的作用。
D(电荷耦合器件)作为接收单元,极大地拓宽了仪器的应用范围,可以实时采集及三维显示、模拟照相,是研究光谱的理想设备。本实验中用光学多道分析器测量发射光源(氢、氮、氦、氖)的光谱特性,并验证巴耳末公式的正确性。
实验目的
1. 了解光学多道分析器的构造原理及其使用方法。
(氢、氮、氦、氖)的光谱特性,并通过测量氢光谱的波长,测定里德伯常数,以验证巴尔末公式的正确性。
实验原理
一、氢原子光谱
可见光谱区域的巴尔干公式为
1
λ=RH(11-) (1) 222n
式中RH称氢的里德伯常数,n为整数3、4、5、?。将式中22换整数k2(k = 1、2、3、?,相应的n从k+1取值)可以得到其它线系。
玻尔理论认为,每条谱线对应于原子从一个能级跃迁到另一个能级所发射的光子。按照玻尔理论得到的巴尔末线系的公式为
2π2me411=?(-) (2) λ(4πε0)2h3c(1+m)22n2
M11
式中ε0为真空中介电常数,h为普朗克常数,c为光速,e、m分别为电子电荷及电子质量,M为原子核质量。与实验公式(1)对照,可得到
RH=R∞(1+m-1 ) (3)M
其中RH可视核质量M为∞时的里德堡常数,即
2π2me4
R= (4) ?(4πε0)2h3c1
可将按(1)式测定的RH,与(3),(4)算出的RH加以比较,以确定玻尔模型与实32
验的符合程度。
近年来,高分辨激光光谱技术大大提高了谱线波长的测量精确度,从而使里德堡常数的测量精确度也得到提高。
目前的公认的R∞±-1,而m (±)×10-10。M
由此可得RH为10967 ± m-1
二、发射光谱技术简介
发射光谱通常是指原子或离子的发射光谱(个别情况也包括某些分子的发射光谱)。原子或离子发射光谱的发生是利用外界能量将它们从基态能级激发到激发态能级上,当它们从高能级跃迁到低能级时所释放的光子
就形成了光谱。发射光谱技术是在光谱技术产生时最早使用的方法,因为它可以比较简单、快捷地分析试样中含有哪些元素,今天依然被广泛使用。发射光谱技术可以用来进行定性、半定量和定量分析。
由于不同的元素的原子能级结构各不相同,每种元素的光谱也犹如人的指纹一样具有自己的特征。特别是每一种元素都有被称为“住留谱线”(RU线)特征谱线。如果试样的光谱中出现了某种元素的“住留谱线”,就是说试样中含有该元素。
如果不去管试样中含有多少该元素,只分析该元素是否存在。这就是发射光谱技术中定性分析方法。在十九世纪本生和克希霍斯是利用发射光谱技术的定性分析在研究含有锂、钠和钾的矿物样品时发现了铷和铯。克鲁克斯发现了一种重金属元素——铊。利赫尔和莱克斯在一种锌矿中发现了铟。法国人让逊和英国人洛克尔在一次日食时,在太阳大气中发现了氦,这也是目前已知元素中唯一的一个不是在地球上发现的新元素。
半定量和定量分析,主要依据谱线强度与元素含量之间的关系,除了分析试样中含有哪些元素外,还要知道这些元素的含量。
图1是发射光谱的实验装置图。发光光谱技术的关键问题是如何是试样发光和将试样所发的光引入光谱仪器。
图1 发射光谱实验装置
首先简单介绍一下激发方法。目前激发的方法有,火焰法、电弧法、电火花法、电感应耦合高频等离子体法(ICP)和激光法等。利用得到发射谱通常称为火焰谱;用电弧和电火花得到的,分别称为电弧光谱和电火花光谱;用
ICP法得到的称为电感应高频等离子体光谱(一般写成ICP—AES);用激光加热试样使其局部气化,然后用放电激励发光进行光谱分析,称为激光徽区光谱分析。
不同的激发方式使原子发光的机制是不相同的,区别在于它们激发加热的温度不同。 33
火焰的温度在1700K—3500K。低电流电弧的温度在4000K—7000K。电火花温度可超过10000K。ICP的加热温度也在5000K—8000K,高的可达10000K。激光产生的温度与电火花相似,它可以对样品很微小的区域加热气化,而发光则是借助辅助电极激发气化的样品,激光在这里的作用只是使样品原子化。而其它方法,则是样品的原子化和发光是同时进行的。不同的加热温度对原子的激发程度也不一样,加热温度低时,原子只能被激发到较低的几个激发能级上,得到的原子谱线的数目