关于钠原子光谱400-440纳米区间杂乱谱线的分析.doc

关于钠原子光谱400nm-440nm区间“杂乱”谱线的分析 06300190036 滕翔 摘要 使用带有光电倍增管的平面光栅单色仪观察钠灯的发射光谱时，会在400nm-440nm区间内得到多条连续出现的不同于理论结果的谱线。本文提出三种假说，对其一一进行定性分析，理论计算，并将所得结果与实验现象或公认值比对，以断定各种假说之合理性，及其适用范围。最终确定连续出现的三重线并不可能包含某一对完整的双线，同时钠灯内微量的惰性气体分子亦不会产生明显影响。但光电倍增管的热噪声和灯内少量Na+离子对观测结果存在不可忽略的影响。 关键词 原子光谱学 光谱分析 能级 杂乱谱线 引言 使用带有光电倍增管的平面光栅单色仪观察钠灯的发射光谱时，会在400nm-440nm区间内得到多条连续出现的，波长间距很短的，不同于双线结构的谱线，其位置与相对光强比例均与理论结果不符。本文试图运用原子物理结合实际操作经验，研究此区间内“杂乱”谱线的真伪及形成机理，通过对不同假说的分析得出初步结论。 实验部分 本文所述之实验来源于近代物理实验I中的氢光谱与类氢光谱。本实验采用WGB-8A型平面光栅单色仪，其内部光栅转动角度对应特征波长，并通过电脑软件自动转化完毕。出射光强由出射缝处光电倍增管转化为电信号输入电脑。最终，屏幕上显示钠原子的R（光强）-λ（波长）曲线。 实验装置示意图由图1所示。 图I 实验装置简介 实验操作中，400nm-440nm处出现多条谱线，强度均不大，与光强最强的三对双线569nm、589nm（黄双线）、616nm相比差距明显，谱线展宽及半高宽亦大过上述三线。此外，498nm附近亦有一对双线，强度约等于616nm处，清晰可辨（注1）。 图II-1及II-2对比两区间内谱线的不同状况。 图II-1 400nm-440nm区间内谱线图 图II-2 三条光强最强的谱线 由此对比发现，相比具有明显、典型双线结构的图II-2谱线，图II-1所示具有如下特性： I 光强明显较小。相比强度1000的黄双线，图II-1谱线强度均在20-40之间。 II 双线结构不明显，反倒出现较多三重线结构，但三重线相对光强比例绝非漫线系之理论值5:9:1。 III 某些位置出现单重线，与理论结果完全不符。 若进一步放大观察，或调用程序生成的文档数据进行分析，将发现所谓单线的展宽均在0.6nm以上，三重线中相邻谱线波长差在0.8-1.0nm左右。相同条件下，即实验过程中从未变化钠灯位置（决定光强）以及入射缝、出射缝宽度（决定分辨率），569nm、616nm两处双线可以完全分开；钠黄双线由于光强过高，已经达到光电倍增管饱和值，在本实验中除进行峰位定标外，不参与讨论。 根据理论结果，钠原子光谱在可见光区内，仅可能观察到主线系、锐线系、漫线系的谱线；由于电子自旋的存在，其均为双线结构。同时，可确定钠黄双线属于主线系，569nm双线属于漫线系，616nm双线属于锐线系。而在实际实验中，除上述三对谱线，可见光区仅有400nm-440nm区间存在谱线，其余做出的均为直线。 另外，由于光电倍增管的影响，放大观察时，所有谱线边缘均有“毛刺”出现。在本次实验的精度下，并不能由谱线展宽或位型区分所属线系。 理论部分 钠原子光谱的四个主要线系由下定义： 主线系 nP→3S, n≥3 锐线系 nS→3P, n≥4 漫线系 nD→3P, n≥3 基线系 nF→3D, n≥3 箭头左端表示上能级，能量较高。但由于各能级均为结合能，能量值为负， 除去可见光区无法观测的基线系，锐线系、漫线系双线相对光强比例均为1:2。原实验资料所述的区分方法为观测谱线展宽及谱线边缘状况，但此方法在本次操作中并不适合。而若试图通过光谱测量绘制钠原子能级图，对每条谱线所属线系的归类必须完成。 电子在不同能级跃迁时，其波数差Δν满足下式 Δν=Δ(R/(n-Δl)2) （a） Δl称量子缺，来自各能级有效电荷数Zs*除到分母上的“纯数学计算”过程。在本实验中，认为Δl仅相关于l，与n无关。 假设与分析 此区间内并无单独存在的双线。现提出以下几种处理方法，并一一分析其可行性。 I 一组三重线内，某两条线为一对双线。 此时此双线结构必须满足λα：λβ=1:2（或2:1，如果认为其属于主线系）。同时，由钠黄双线（589.0nm，589.6nm；32P3/2，32P1/2→3S）相应参数，32P3/2与32P1/2能极的波数相差17.2cm-1。同时，由公式 ΔE=Ra2（Zs*）4/n3l(l+1) （b） 可得，n，l增大时双重能级迅速减少。 为此，在400nm附近，可认为双线（如果存在）波数差保持在17.2cm-1。换算成波长，则所求区间的双线间距在0.8nm-1.0