(实验二钠原子光谱.docVIP

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： （2—1） 其中，为波数，为氢的里德伯常数（109 677.58cm）,和为整数。 钠是碱金属原子，核外有11个电子，其中这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，也可以用下列关系式表示： （2—2） 其中 R 为里德伯常数 (＝109737.31cm-1 )，在氢原子光谱中，和都是正整数，相应于 ＝1，2，3，···等值，分别有赖曼谱系，巴耳末谱系，帕邢谱系等。但在钠原子及其它碱金属原子光谱中，由于价电子和原子实的相互作用，表现为原子实的极化和价电子轨道贯穿原子实的作用，因此使钠原子的能级与氢原子的能级有显著的不同。为此，光谱项中的主量子数用有效量子数替代，则： 钠原子光谱项可以表示为： （2—3） 式中称为量子数亏损，是原子实的平均有效电荷，有效量子数不再是整数了。当主量子数越小，价电子越靠近原子实，其运行轨道的椭圆偏心率越大，角量子数越小，这时的数值越大，所以量子数亏损是一个与、有关的量，量子亏损是由原子实的极化和价电子在原子实中的贯穿引起的,是反映原子实作用于价电子的电场与点电荷的电场偏离程度的物理量。理论和实验均证明，当不是很大时，量子数亏损的大小主要取决于，而随的变化不大，本实验中近似认为与无关。 各线系中谱线的波数可由下列公式表示： （2—4） 式中,和,分别为上下能级的主量子数与量子亏损，与分别表示上下能级的有效量子数，脚标和分别表示上下能级所属轨道量子数。如果令、 固定，依次改变（Z的选择定则为），则得到一系列的再构成一光谱系。光谱中常用、符号表示线系，，分别用表示。钠原子光谱通常有下列四个线系。 钠原子有4个线系： 主线系:各谱线的波数可以用下式表示： （2—5） 是诸P能级（2P1/2,3/2）到基态3s能级的跃迁辐射，p能级是双重能级，能量差随着主量子数增加而减少，3S能级是单能级，所以主线系是双线结构，其双线间的波数差越向短波方向越小。主线系的谱线，除第一条（黄双线）外，都在紫外区。 2、漫线系(由 D 到 P 间的跃迁所产生) （2—6） 是诸D能级2D3/2,5/2到第一激发态32P1/2,3/2能级的跃迁辐射，按照选择定则，ΔJ＝0、,该线系为三线结构。随着n的增加，图左边两个跃迁的波长迅速靠近。而且强度相差很大，便成为一条漫散的谱线，所以，漫散系的各谱线表现为边缘模糊的双线，双线间的波数基本不变，该线系除了第一条谱线（8794.82?，8183.30 ? ）落在红外区，大部分谱线都在可见光区。 图2—1 漫线系的分裂 锐线系：(由 s到 p间的跃迁所产生) （2—7） 是诸2S1/2能级到第一激发态32P1/2,3/2能级的跃迁辐射，各谱线都是边缘清晰的双线结构，各双线的波数差相等，该线系除第一条谱线（11404.2?，11382.4?）落在红外区，大