钠原子光谱
钠原子光谱
目的要求：
本实验通过对钠原子光谱的观察、拍摄与分析，加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解，在分析光谱线系和测量波长的基础上，计算钠原子的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．
科学小史：
(1)原子光谱及光谱
研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现．钠原子是一个多电子原子，既存在着原子核和电子的相互作用，又存在着电子之间的相互作用，还有电子自旋运动与轨道运动的相互作用．
光谱是用来鉴别物质、发现新元素和确定它的化学组成的重要依据。光谱分为发射光谱和吸收光谱两大类。
物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。其中炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱；而稀薄气体或金属蒸气的发射光谱是一些不连续的亮线，叫做明线光谱。明线光谱是由游离态的原子发射的，所以也叫原子光谱。还有一些物质的发射光谱呈带状，是由该元素的原子团或分子发射的，叫做带状光谱或分子光谱。
吸收光谱是指高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光），通过物质时，某些波长的光波物质吸收后产生的光谱。所以吸收光谱是以连续光谱为背景的若干条暗线。各种原子的吸收光谱中的每条暗线，都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。
每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线又叫做原子的特征谱线。特征谱线为光谱分析技术的应用、研究和发展，提供了可靠的基础和保障。光谱分析就是使用分光镜、分光仪、单色仪、摄谱仪、投影仪、记录仪和计算机等光谱仪器和分析仪器，通过对各类光谱的产生、拍摄、观察、记录等手段对物质进行定性或定量的检测、分析与研究。它在我国国民经济中，特别是地质、矿产部门有着广泛的应用，在现代航天事业和对外星球的探测中，光谱分析有着更广阔的发展前景。
我们选了十幅有代表性的各类光谱图例。
a．氢的明线光谱；f．高压汞灯的明线光谱；
b．氦的明线光谱；g．荧光灯的明线光谱；
c．氩的明线光谱；h．钠的吸收光谱；
d．钢的明线光谱；i．白炽灯的连续光谱；
e．氙的明线光谱；j．太阳的连续光谱（其中有暗线）。
(2)里德伯
里德伯(Johannes Rober Rydberg，1854～1919)瑞典物理学家，光谱学的奠基人之一。1854年11月8日生于瑞典的哈姆斯塔德。1873年进人隆德大学。1875年获哲学学土学位。1879年通过答辩学位论文《论圆锥面的结构》而获得数学博士学位。1880年任隆德大学数学讲师。1882年任物理学讲师。1897年成为助理教授。1901年被任命为终身教授。i919年当选为英国皇家学会的外国会员。1919年12月28日于瑞典隆德逝世，终年65岁。
19世纪末，原子光谱和原子结构问题引起了不少科学家的关注，里德伯就是其中之一。他对光谱的研究起源于对元素周期表的兴趣，从1890年开始，从事元素的物理性质、化学性质和结构的研究，并发表了题为《化学元素发射光谱结构的研究》的论文。他设想一个元素的光谱线由三种不同类型系列叠加而成，一个是位于可见光区域，谱线比较尖锐的锐线系，另一个是位于近红外区，谱线比较扩散的漫线系，第三个是里德伯认为最重要的大部分由紫外线组成的线系。
同时里德伯亲自观测了一些元素的光谱线，并从他的同辈那里搜集了大量光谱方面的资料，尤其是锂、钠、钾和镁、锌、镉、汞、铝等元素的谱线波长，这些对他总结光谱公式提供了重要依据。面对纷乱复杂的光谱数据，他致力于寻求各种元素发出的各种光谱线的意义。而里德伯成功的关键是：采用了前人（如1871年斯坦尼等）已提出的用波长的倒数（波数）来表示谱线的方法。用这一尺度的好处在于可以把光谱线系表示成等距的、更接近于从光谱仪直接看到的情景，因此他对光谱规律作出总结：“谱系的各项是相继整数的函数，各谱系
可近似于用下式表示，，其中N是波数，m是正整数，＝109721.6对所有谱系均
为一共同常数，与u是某谱系特有的常数。由公式可以看到，表示当m变为无穷大时波数n趋向的极值”。这就是里德伯的光谱学公式。
里德伯的工作在巴耳末之后，但他当时并不知道巴耳末公式，到1890年当获知巴耳末公式以后，用波数表示巴耳未公式，才发现得出的结果正好是自己所得公式的一个特例，这就更增加了他对自己工作的信心。显然这也说明里德伯公式具有更深刻的物理意义，是更普遍的光谱学公式。
里德伯公式和巴耳末公式一样纯属经验公式，他未能探究这一公式的原因，但是这个公式在玻尔建立原子结构理论中，却起到了重要的作用，随即该公式也得到了合理的解释。
原理要点：
在原子物理中，氢原子光谱的规律告诉我们：当原子在主量子数n2与n1的上下两能级间跃迁时, 它们的谱线波数可以用两光谱项之差表
．
( 1.3.1)
式中R为里德伯常数 (109 677.58 cm-1 )．当n1= 2, n2= 3,4,5 ……,则为巴尔末线系．对于只有一个价电子的碱金属原子(Li，Na，K ….)其价电子是在核和内层电子所组成的原子实的库仑场中运动, 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．因为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；还有，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，轨道进入原子实部分越多，原子实的极化也越显著，因而原子的能量减少得越多．与主量子数n相同的氢原子相比, 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值越小，能量越小；l越大，越接近相应的氢原子的能级．对于钠原子，我们可以用有效量子数n*代替n,来统一描述原子实极化和轨道贯穿的总效果．若不考虑电子自旋和轨道运动的相互作用引起的能级分裂，可把光谱项表示为
T n1 = R / (n*2) = R / (n ?C Δl)2(1.3.2)
上式的Δl称为量子缺；而n* 不再是整数,由于Δl> 0,因此有效量子数n* 比主量子数n要小．理论计算和实验观测都表明，当n不很大时，量子缺的大小主要决定于l，而与n的关系很小，在本实验中近似认为它是一个与n无关的量．
由于由上能级跃迁到下能级时，发射光谱谱线的波数可用下式表示：
(1.3.3)
式中n2* 与n1* 分别为上、下能级的有效量子数，n、Δl与n’、Δl分别为上下能级的主量子数与量子缺，式(1.3.3)以两个光谱项之差的形式表达了钠原子某一谱线的波数值, l及l’分别为上、下能级所属轨道量子数．
如果令n’, l’固定, 而n依次改变(l的选择定则为l’ ?C l = ±1),则可得到一系列的值，从而构成一个光谱线系．在光谱学中通常用n’l’- nl这种符号表示线系, 当l ＝0, 1, 2, 3 …时,分别以S, P, D, F …表示．钠原子光谱有四个线系:
主线系(P线系) 3S ─n P n＝3,4,5，…
漫线系(D线系) 3P ─n D n＝3,4,5，…
锐线系(S线系) 3P ─nS n＝4,5,6，…
基线系(F线系) 3D ─nF n＝4,5,6，…
在各线系中，式(1.3.3)中n’, l’是不变的, 第一项称为固定项，以A n’l’表示；第二项称为可变项，因此式可写成：
(1.3.4)
钠原子光谱具有碱金属原子光谱的典型特征 ,一般可以观测到四个光谱线系, 分析钠原子谱线时, 可以发现以下几点:
1．主线系和锐线系都分裂成双线结构．漫线系和基线系为三重结构 (要用分辨率较高的仪器方可分辨 )．对于不同的线系，这种分裂的大小和各线的强度比是不同的，但它们都是有规律的，这称为精细结构．这种精细结构可用电子自旋与轨道耦合而引起能级分裂来解释，本实验不准备作详细研究．
2．主线系在可见光区只有一对共振线??即钠黄线，其余都在紫外光区．由于自吸收的结果，所得到的钠黄线实际上是一对吸收谱线．主线系各对谱线的间隔向短波方向有规律地递减．
3．锐线系的谱线除第一条在红外区，其余在可见光区，通常可测到3～4条谱线, 谱线较明锐、边缘较清晰，各双线都是等宽的．
4．漫线系的谱线除第一条在红外区, 其余亦在可见光区, 也可测到3～4条谱线, 但谱线稍弱，边缘漫散模糊．
5．基线系在红外区，谱线很弱，本实验不作研究．
用摄谱仪拍摄的光谱中，这些线系互相彼此穿插排列，根据强度、间隔和线型（精细结构），可以区分出属于同一线系的各条谱线，每个线系中的各条谱线的强度都是向短波方向很有规律地递减．
仪器设备：
1．用一般的玻璃棱镜摄谱仪，可拍摄到可见光区的谱线；石英棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪则可拍摄到紫外、可见、红外光区的全部谱线．
2．哈特曼光栏（见图 1.3.1）是摄谱仪的重要附件，利用光栏的A部分可以改变摄谱仪的狭缝高度；还可以利用哈特曼光栏B部分的三个小孔和固定底片盒, 并排拍摄铁谱和钠谱，以便测定钠谱线的波长．
3．利用光谱投影仪或比长仪和铁光谱标准图对比，可以辨认及测量出钠原子光谱各线系谱线的波长．
4．为了冲洗所拍摄的光谱底片，在暗房中备有整套的冲洗工具：定时钟、显影及定影药水等．
5．里德伯表（见表1.3.1）．
内容要求：
1．拍摄钠原子光谱用光谱纯碳棒做电极，上电极磨成圆锥型、下电极顶端钻一个直径为2～3 mm的小洞, 把纯 NaCl 结晶粉末放进小洞内，拍摄钠原子光谱．为了使每条待测谱线都有感光合适、适于观测的像，可以利用哈特曼光栏分别拍摄几组不同的钠光谱及供对比的铁光谱．（NaCl粉末对摄谱仪有锈蚀作用, 实验时要注意保持仪器清洁．）
2．测量钠原子谱线的波数底片冲洗风干后，在光谱投影仪下认谱．并在比长仪下测量谱线．用内插法测量钠原子谱线的锐线系各谱线波长．
各谱线波长测定后, 把波长换算成波数，即每一线系中相邻两谱线的波数差为
(1.3.5)为了计算方便，令n - Δl = m+α，其中为m整数，α为正小数，式(1.3.4)可写成:
(1.3.6)算出后，可借助里德伯表直接查出m和α,代入n - Δl = m+α，已知n值, 即可求出Δl值．
3．求固定项
(1.3.7)
4．绘制能级图计算出锐线系有关能级的光谱项值 (T3p，T5s, T6s, T7s……)，以波数为单位，绘出钠原子的锐线系的能级图．为了比较起见，在同一能级图上画出主量子数相同的氢原子能级位置，氢原子能级的波数按下式计算：
T(n) = R H /n2 （其中
R H＝109 677.58 cm-1）
*5．进一步实验参照上述各步骤，观察并测量钠原子谱线的漫线系各谱线的波长，计算线系中相邻两谱线的波数差，找出Δl值和固定值，绘出能级图．
问题思考：
1．哈特曼光栏在本实验中有什么重要作用？
2．在实验中你应怎样判别各线系和各谱线对应的主量子数？
钠原子光谱
1-3 钠原子光谱 引言 研究元素的光谱是了解原子结构的一个重要途径。通过对原子光谱的研究，可以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。 通过对氢原子光谱的研究，人们认识到电子绕原子核运动时只能处于一些能量不连续的状态，得到了关于氢原子结构的认识。氢原子是单电子原子，结构比较简单，原子内部相互作用也比较简单。对于多电子原子，除了原子核与电子的相互作用外，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间的相互作用也更加显著。钠原子序数为11，具有稳定的满内壳层结构，外层有一个价电子，其光谱结构比较简单，也比较典型。在激光光谱日益发展的今天，钠原子光谱仍是人们深入研究的对象之一。本实验以钠原子光谱为例，研究多电子原子的光谱结构。以加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋运动与轨道运动相互作用的理解。 预习思考 1．与氢原子主量子数相同的能级相比，钠原子的能级有哪些差别，造成这些差别的原因是什么？ 2．如何通过光栅光谱仪获得钠原子的光谱图像？ 3．根据测量的钠光谱线结果，如何利用里德伯表求出各个线系谱线对应的上下能级的主量子数、量子缺和光谱项，进而绘制出钠原子的能级图？ 实验目的 1．学习使用光栅光谱仪测量钠原子光谱的实验方法。 2．加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的理解。 3．掌握计算钠原子的价电子在不同轨道运动时的量子缺的方法，学会绘制钠原子的部分能级图。 实验原理 一、钠原子光谱的线系 氢原子光谱线的波数可写成： 221211H R n n ν⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦ （1.3.1） 式中R H 是氢的里德伯常数。当n 1=2，n 2依次为3，4，5，…时，为巴耳末线系各谱线波数。原子能级E n 可表示为 2 H n R E c n =- （ 1.3.2） 令2n H T R n =，则n n E cT =-，T n 称为光谱项。 对于只有一个价电子的碱金属原子，例如钠原子，其价电子是在核与内层电子所组成的原子实的库仑场中运动，和氢原子有些类似。但是，由于原子实的存在，价电子处于不同量子态时，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。价电子处于不同轨道时，它们的轨道在原子实中的贯穿程度也不同，所以受到的作用不同；还有，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，因此，电子所处轨道的主量子数n 相同，轨道量子数l 不同，原子的能量也是不同的。所以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可以使原子
钠金属光谱
碱金属原子光谱 碱金属原子光谱，特指碱金属锂、钠、钾、铷、铯等元素的光谱。它们具有相似的结构，明显地分成几个线系。通常观察到的有主线系、第一辅线系(漫线系)、第二辅线系（锐线系）和伯格曼线系（基线系）。 众所熟知的钠黄光波长为589.3纳米，就是钠光谱主线系的第一条谱线。碱金属原子都具有相似的结 碱金属原子光谱 构，内层的z－1 个电子与原子核组成原子实，最外层只有一个价电子，与氢原子有些类似，不同的是电子运动对原子实有极化和贯穿作用，引起不同轨道的电子能态的较大分裂，能级对l的简并解除。另外由于电子自旋取向不同，引起自旋轨道耦合的能量微小分裂，因此碱金属原子的能级除S态是单层的外，其他P、D、F态都是双层的。根据单价原子光谱的选择定则，可得出，主线系和锐线系是双线结 碱金属原子光谱 构，漫线系和基线系为三线结构。 观察结果 图1画出了锂原子光谱的四个线系。从图中可以看到主线系的波长范围最宽、第一条是红色的，
碱金属原子光谱 其余的都在紫外。线系限是229.97nm；第一辅线系在可见光区部分；第二辅线系的第一条在红外区，其余在可见光区，这二线系有同一线系限，伯格曼线系在红外区，其他碱金属原子也有相似的光谱线系，只是波长不同，例如钠的主线系的第一条线是大家熟悉的黄色光，波长为589.3nm。 原子结构 碱金属原子与氢原子光谱规律相似，是由于它们的原子结构相似，虽然碱金属元素与氢元素的性质极不相同，但它们都只有一个外层电子，称为价电子。内满充壳层电子与原子核组成原子实，价电子即处于原子实的中心势场中。按锂、钠、钾、铷、铯的次序原子实内的电子数分别是2、10、18、36、54、86,价电子所在的轨道的主量子数分别为n≥2、n≥3、n≥4、n≥5、n≥6。 能级公式 碱金属原子的能级公式与氢原子相似 公式 式中墹l为量子亏损,是一个与角动量量子数l有关的正数，R是碱金属的里德伯常数。显然，碱金属的能级不但与n有关，而且与l有关。上式还可写为Z*称为有效核电荷数。以锂为例，四个线系公式为主线系 公式 | | | 主线系
钠原子光谱
钠原子光谱 目的要求： 本实验通过对钠原子光谱的观察、拍摄与分析，加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解，在分析光谱线系和测量波长的基础上，计算钠原子的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． 科学小史： (1)原子光谱及光谱 研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现．钠原子是一个多电子原子，既存在着原子核和电子的相互作用，又存在着电子之间的相互作用，还有电子自旋运动与轨道运动的相互作用． 光谱是用来鉴别物质、发现新元素和确定它的化学组成的重要依据。光谱分为发射光谱和吸收光谱两大类。 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。其中炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱；而稀薄气体或金属蒸气的发射光谱是一些不连续的亮线，叫做明线光谱。明线光谱是由游离态的原子发射的，所以也叫原子光谱。还有一些物质的发射光谱呈带状，是由该元素的原子团或分子发射的，叫做带状光谱或分子光谱。 吸收光谱是指高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光），通过物质时，某些波长的光波物质吸收后产生的光谱。所以吸收光谱是以连续光谱为背景的若干条暗线。各种原子的吸收光谱中的每条暗线，都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。 每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线又叫做原子的特征谱线。特征谱线为光谱分析技术的应用、研究和发展，提供了可靠的基础和保障。光谱分析就是使用分光镜、分光仪、单色仪、摄谱仪、投影仪、记录仪和计算机等光谱仪器和分析仪器，通过对各类光谱的产生、拍摄、观察、记录等手段对物质进行定性或定量的检测、分析与研究。它在我国国民经济中，特别是地质、矿产部门有着广泛的应用，在现代航天事业和对外星球的探测中，光谱分析有着更广阔的发展前景。 我们选了十幅有代表性的各类光谱图例。 a．氢的明线光谱；f．高压汞灯的明线光谱； b．氦的明线光谱；g．荧光灯的明线光谱； c．氩的明线光谱；h．钠的吸收光谱； d．钢的明线光谱；i．白炽灯的连续光谱； e．氙的明线光谱；j．太阳的连续光谱（其中有暗线）。
1-2钠原子光谱
1.2钠原子光谱 氢原子光谱和波尔理论给出了单纯正负电荷间相互吸引作用的电场量子化规律。正确认识复杂原子光谱的规律，是完善波尔理论的必要条件。在多电子原子体系中，碱金属原子只有一个价电子，与氢原子的结构相似，分析二者原子光谱的异同，是研究复杂原子光谱的切入点，不但认清了同种电荷间排斥作用的电场量子化规律，为解释元素的周期律奠定基础，还导致电子自旋的发现。 多电子原子中存在原子核-电子、电子-电子以及自旋-轨道多重相互作用。通过拍摄钠原子光谱，在测量波长和分析光谱线系的基础上，根据价电子在不同轨道运动时的量子缺来理解电子-电子排斥作用对能级结构的影响，可以较全面地掌握光谱分析技术的基本方法。 一、实验目的 （1）测量钠主线系的谱线波长； （2）了解原子光谱与原子结构的关系，求钠原子主线系的量子改正数（量子缺）。 二、实验原理 原子中电子绕核运动的能量是量子化的。电子从一个能级跃迁到另一能级, 就要辐射或吸收一定的能量，由此形成原子的发射光谱或吸收光谱。电子在主量数为n 2和n 1的上、下能级之间跃迁时，其发射光谱的波数为 ??? ? ??-=-=22211211)(1~n n R E E hc γ， （1.2.1） 其中E 1与E 2分别表示上能级与下能级的能量，h 为普朗克常数，c 为光速, R 为里德伯常数。每一谱 线的波数都可以表达为两光谱项之差, 即 2 1~T T -=γ ， （1.2.2） T 为光谱项, 对于氢原子，光谱项可写成 2 n R T H = 。 （1.2.3） 碱金属（Li ，Na ，K ，Rb ，Cs ，Fr ）原子只有一个价电子，在由原子核和闭壳层电子组成的离子实库仑场中运动，具有和氢原子相仿的结构，但比氢原子和类氢离子（He 原子去掉一个核外电子形成的离子）要复杂。这是由于碱金属原子中存在离子实的极化与贯穿，电子在主量子数n 相同、轨道量子数l （l = 1, 2, …, n - 1）不同的轨道上运动，其能量并不相同。因此，电子的能量与 n 和l 都有关系，即每个主量子数为n 的能级分为n 个子能级。离子实的极化（离子实正负电荷中心不重合）与贯穿（价电子穿入离子实封闭电子壳层）都会使价电子受到附加的吸引作用，因此能量比氢原子体系的能量要低。本质上这是电子和电子相互排斥的表现，能量比原子核吸引所有核外电子的能量要高。 碱金属的原子光谱也明显地构成若干线系。光谱中不同线系会同时出现，重叠在一起，需要根据谱线的粗细、强弱和间隔来对所属的线系进行识别。容易观察到的线系有4个，分别称为主线系、第一辅线系（也叫漫线系）、第二辅线系（锐线系）和基线系（柏格曼系）。主线系的波长范围最广，Li 的第一条为红色，Na 的第一条为黄色(波长589.3 nm ，实际上还有精细结构，包含589.0 nm 和589.6 nm 两条谱线)。
钠原子光谱
实验简介 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。 本实验以钠原子光谱为研究对象，通过摄谱、识谱和波长测量，求出量子缺和钠原子若干激发态能级。 实验原理 ?原理 ●钠原子由一个完整而稳固的原子实和它外面的一 个价电子组成。原子的化学性质以及光谱规律主要 决定于价电子。 ●与氢原子光谱规律相仿，钠原子光谱线的波数 可表示为两项差 （1）
其中为有效量子数，当无限大时，，为线系限的波数。 ●钠原子光谱项 它与氢原子光谱项的差别在于有效量子书不是整数，而 是主量子数n减去一个数值，即量子修正，成为量子缺。量子缺是由原子实的极化和价电子在原子实中的贯穿引起的。碱金属原子的各个內壳层均被电子占满，剩下的一个电子在最外层轨道上，此电子称为价电子，价电子与原子的结合较为松散，与原子核的距离比其他內壳层电子远得多，因此可以把除价电子之外的所有电子和原子核看作一个核心，称为原子实。由于价电子电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移，于是负电子的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。极化产生的电偶极子的电场作用于价电子，使它受到吸引力而引起能量降低，降低了势能，此即轨道贯穿现象。原子能量的这两项也将受到原子实的附加引力，降低了势能，此即轨道贯穿现象。原子能量 的这两项修正都与价电子的角动量状态有关。角量子数越小，椭圆轨道的偏心率就越大，轨道贯穿和原子实极化越显著，原子能量 也降低。因此，价电子越靠近原子实，即n越小、越小时，量子 缺越大（当n越小时，量子缺主要决定于，实验中近似认为 与n无关）。 ●钠原子光谱一般可以观察到四个谱线系，光谱图如 图4.5.2－1所示。
实验二 钠原子光谱
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： ??????-=2221 11~n n R H ν （2—1） 其中，ν~为波数，H R 为氢的里德伯常数（109 677.58cm ）,1n 和2n 为整数。 钠是碱金属原子，核外有11个电子，其中622221p s s 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ν ~，也可以用下列关系式表示： ??????-=2221 11~n n R ν （2—2） 其中 R 为里德伯常数 (＝109737.31cm -1 )，在氢原子光谱中，1n 和2n 都是正整数，相应于 1n ＝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
钠原子光谱实验报告
嘉应学院物理系大学物理学生实验报告 实验项目： 实验地点： 班级： 姓名： 座号： 实验时间：年月日 物理与光信息科技学院编制
实验预习部分 一、实验目的： 本实验通过对钠原子光谱的观察、拍摄与分析，加深对碱金属原子的外层电子与原子实相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解，在分析光谱线系和测量波长的基础上，计算钠原子的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． 二、实验仪器设备： 1．用一般的玻璃棱镜摄谱仪，可拍摄到可见光区的谱线；石英棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪则可拍摄到紫外、可见、红外光区的全部谱线． 2．哈特曼光栏（见图1.3.1）是摄谱仪的重要附件，利用光栏的A部分可以改变摄谱仪的狭缝高度；还可以利用哈特曼光栏B部分的三个小孔和固定底片盒, 并排拍摄铁谱和钠谱，以便测定钠谱线的波长． 3．利用光谱投影仪或比长仪和铁光谱标准图对比，可以辨认及测量出钠原子光谱各线系谱线的波长． 4．为了冲洗所拍摄的光谱底片，在暗房中备有整套的冲洗工具：定时钟、显影及定影药水等． 5．里德伯表（见表1.3.1）． 三、实验原理： 在原子物理中，氢原子光谱的规律告诉我们：当原子在主量子数n2与n1的上下两能级间跃迁时, 它们的谱线波数可以用两光谱项之差表
． ( 1.3.1) 式中R为里德伯常数(109 677.58 cm-1 )．当n1= 2, n2= 3,4,5 ……,则为巴尔末线系．对于只有一个价电子的碱金属原子(Li，Na，K ….)其价电子是在核和内层电子所组成的原子实的库仑场中运动, 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．因为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；还有，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，轨道进入原子实部分越多，原子实的极化也越显著，因而原子的能量减少得越多．与主量子数n相同的氢原子相比, 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值越小，能量越小；l越大，越接近相应的氢原子的能级． 对于钠原子，我们可以用有效量子数n*代替n,来统一描述原子实极化和轨道贯穿的总效果．若不考虑电子自旋和轨道运动的相互作用引起的能级分裂，可把光谱项表示为 T n1 = R / (n*2) = R / (n ?C Δl)2 (1.3.2) 上式的Δl称为量子缺；而n* 不再是整数,由于Δl> 0,因此有效量子数n* 比主量子数n要小．理论计算和实验观测都表明，当n不很大时，量子缺的大小主要决定于l，而与n的关系很小，在本实验中近似认为它是一个与n无关的量． 由于由上能级跃迁到下能级时，发射光谱谱线的波数可用下式表示： (1.3.3) 式中n2* 与n1* 分别为上、下能级的有效量子数，n、Δl与n’、Δl分别为上下能级的主量子数与量子缺，式(1.3.3)以两个光谱项之差的形式表达了钠原子某一谱线的波数值, l及l’分别为上、下能级所属轨道量子数． 如果令n’, l’固定, 而n依次改变(l的选择定则为l’ ?C l = ±1),则可得到一系列的值，从而构成一个光谱线系．在光谱学中通常用n’l’- nl这种符号表示线系, 当l＝0, 1, 2, 3 …时,分别以S, P, D, F …表示．钠原子光谱有四个线系: 主线系(P线系) 3S ─n P n＝3,4,5，… 漫线系(D线系) 3P ─n D n＝3,4,5，… 锐线系(S线系) 3P ─nS n＝4,5,6，… 基线系(F线系) 3D ─nF n＝4,5,6，… 在各线系中，式(1.3.3)中n’, l’是不变的, 第一项称为固定项，以A n’l’表示；第二项称为可变项，因此式可写成：
钠原子光谱
近代物理实验 题目钠原子光谱的观测与分析 班级 09物理 学号 09072053 姓名张泽民 指导教师余云鹏 钠原子光谱的观测与分析 研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现。原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年末，巴尔末（J.J.Balmer）根据人们的观测数据，总结出了氢光谱线的经验公式。1913年2月，玻尔（N.Bohr）得知巴尔末公式后，3月6日就寄出了氢原子理论的第一篇文章，他说：“我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就清楚了。”1925年，海森伯（W.Heisenberg）提出的量子力学理论，更是建筑在原子光谱的测量基础之上的。现在，原子光谱的观测研究，仍然是研究原子结构的重要方法之一。 20世纪初，人们根据实验预测氢有同位素，1912年发明质谱仪后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家由各种化合物测得为1.00799。基于上述微小的差异，伯奇（Birge）和门泽尔（Menzel）认为氢也有同位素2H（元素左上角标代表原子量），它的质量约为1H的2倍，据此他们算得1H和2H在自然界中的含量比大约为4000：1，由于里德伯（J.R.Rydberg）常量和原子核的质量有关，2H的光谱相对于1H的应该会有位移。1932年，尤雷（H.C.Urey）将3L 液氢在低压下细心蒸发至1毫升以提高2H的含量，然后将那1mL注入放电管中，
用它拍得的光谱，果然出现了相对于1H移位了的2H的光谱，从而发现了重氢，取名为氘，化学符号用D表示。由此可见，对样品的考究，实验的细心，测量的精确，于科学进步非常重要。 二、【实验仪器】 1、WGD—8A型组合式多功能光栅光谱仪 由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元、计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用C-T 型。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5nm。光源发出的光束进入入射狭缝S1,S1位于过反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上或S3上。 M2、M3 焦距500mm 光栅G 每毫米刻线2400条，闪耀波长250nm 波长范围200-660nm 相对孔径 D/F=1/7 杂散光≤10-3 分辨率优于0.06 nm 光电倍增管接收 （1）波长范围 200-660nm （2）波长精度≤ ±0.2nm
Na光谱谱系的判断方法
Na光谱谱系的判断方法 摘要本文主要分析Na原子的光谱图，并提出两种方法判断不同波长的谱线所属的线系。里德伯表法和相对强度法各有优劣，它们分别适用于不同的要求。 关键词光谱图线系判断方法波长相对强度 一、引言 与氢原子不同的是，Na原子的光谱谱线的产生与轨道量子数有关，不同轨道量子数产生的跃迁属于不同的光谱线系。判断光谱线所在的线系是类氢实验的主要目的之一。本文通过研究Na光谱图，提出了两种方法来判断谱线所在的线系。 二、理论依据 1、Na原子光谱谱线系 钠原子光谱有四个主要线系： 主线系 3S→nP, n≥3 锐线系 nS→3P, n≥4 漫线系 nD→3P, n≥3 基线系 nF→3D, n≥3 2、Na原子能级图 光线波长 图中，右边指的是波数，即波长的倒数，而图中圈出来的数字指的是两个能级跃迁的光谱线波长。 4、里德伯表 对常规的里德伯表进行波数的变换，可以得到下述关于Na原子光谱线四个线系的里德伯表。
对照里德伯表与Na 原子特征波长，可以准确判断出谱线线系。 5、Na 原子的双重结构 电子具有自旋，自旋量子数 s=1/2。由 于电子自旋和轨道运动的相互作用， 使原子具有附加能量。该附加能量除了与量子数 n ，l 有关外，还与原子的总角动量的量子数 j 有关，因此同一光谱项又分裂为不同能级。 不同能级的跃迁发射出不同波长的Na 光，表现在谱线上，就形成了Na 双线的的 现象。四个线系的双线之间的相对强度是不同的，通过判断双线之间的相对强度就可以判断出光谱线所属的线系。以下分别对四个线系的相对强度进行分析： 原子从上能级 n 至下能级m 的跃迁发出的光谱线强度为 式中，N 代表上一个能级的粒子数，A 代表跃迁几率，h ν表示的是两个能级的 能级差 根据玻尔兹曼分布，可以近似的认为： 因此，通常情况下，只要知道跃迁几率，就可以求出光谱线强度了，然后就可 以计算不同线系之间不同能级跃迁产生的不同相对强度。但实际上，我们通常根据强度和定则计算相对强度。强度和定则有两条： （1）从同一能级向下能级跃迁产生的所有谱线成分的强度和正比于该能级的简 并度 g ； （2）终于同一下能级的所有谱线的强度和正比于该能级的简并度 g ； 简并度指的是该能级的围观状态数，有： ，j 是总角量子数。 主线系 主线系的能级图如下图所示，主线系的光谱2 2 1/23/2,1/23S n P -（n=3，4···），上能级分裂成两个能级，下能级是但能级。是根据强度和定则，我们有下面式 子： 21j g j =+
火焰原子吸收光谱法对钠离子的测定
火焰原子吸收光谱法对钠离子的测定 一、方法提要： 水样经雾化喷入空气—乙快火焰中原子化，在原子蒸气中钠原子处于基态状态。以钠特征线(共振线)330.2nm或589.6nm为分析线，测定其吸光度。 二、试剂和材料： ①盐酸。 ②钠标准溶液；称取在105～110℃烘至质量恒定的光谱纯氯化钠 2.5481g，精确至0.0002g，放置100mL烧杯中，加水溶解，转移至1000mL容量瓶中用水稀释至刻度，摇匀，此标准溶液1.00mL含1.00mg钠。 三、仪器和设备： 原子吸收光谱仪和一般实验室用仪器。 原子吸收光谱仪应配有钠空心阴极灯，空气－乙炔预混合燃烧器，背景扣除校正器（推荐使用连续光谱氖灯扣除背景）、打印机或记录仪等。 所用原子吸收光谱仪均应达到下列指标： ①检出限；在测量循环冷却水样品中，钠的检出限应小于0.4mg／L； ②工作曲线线性：工作曲线上部20％浓度范围内的斜率与下部30％浓度范围内斜率之比不应小于0.7； ②最低精密度要求：工作曲线中浓度最高的标准溶液的10次吸光度的标准偏差，应不超过其平均吸光度的1.5％，浓度最低的标准溶液(不是零浓度溶液)的10次吸光度的标准偏差，应不超过浓度最高的标准溶液平均吸光度的 0.5％。 四、工作条件的选择：
按照仪器说明书所提供的最佳条件，调节波长330.2nm或589.6nm，调试灯电流、通带、积分时间、火焰条件、背景扣除等。仪器开机点火后需稳定5～10min方能进行测定。 五、分析步骡： 1．试样溶液的制备 取现场循环冷却水样品约500mL，加入浓盐酸酸化至p H为1左右(每升水样加入8.0mL浓盐酸)。当水祥中悬浮物较多时，需用中速定量滤纸过滤，滤液贮于聚乙烯塑料瓶中。该试样品可放置2周。 2．工作曲线的制作 准确移取钠标准溶液0.00mL，2.50mL，5.00mL，7.50mL，10.0mL，分别置于50.0mL容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀。此标准系列浓度为0.00mg/L，50.0mg/L，100.0mg/L，150.0mg/L，200.0mg/L，在波长为330.2nm处，调节仪器为最佳工作状态，以水调零测定吸光度，以测定的吸光度为纵坐标，相对应的钠含量mg/L为横坐标，绘制出工作曲线。 3．试祥的测定 按工作曲线的制作中同等仪器条件，以水为空白调零，测定试样溶液的吸光度，若水样中钠含量大于200 mg/L，可稀释后测定。 六、分析结果的衰述： 以钠离子质量浓度表示的钠含量ρ1（mg/L）按下式计算： ρ1＝ρ×f 式中ρ——从标准曲线中查得钠的浓度，mg/L；
钠原子发射光谱
钠原子发射光谱 通过钠原子光谱的拍摄,加深对钠原子光谱规律认识；计算钠原子中价电子的各能级和相应的量子亏损，同时了解摄谱仪的结构及使用。 一、实验原理： （一）原子光谱的产生： 1、原子的壳层结构 原子是由原子核与绕核运动的电子所组成。每一个电子的运动状态可用主量子数n、角量子数l、磁量子数m l 和自旋量子数m i等四个量子数来描述。 主量子数n，决定了电子的主要能量E。 角量子数l，决定了电子绕核运动的角动量。电子在原子核库仑场中在一个平面上绕核运动，一般是沿椭圆轨道运动，是二自由度的运动，必须有两个量子化条件。这里所说的轨道，按照量子力学的含义，是指电子出现几率大的空间区域。对于一定的主量子数n，可有n个具有相同半长轴、不同半短轴的轨道，当不考虑相对论效应时，它们的能量是相同的。如果受到外电磁场或多电子原子内电子间的相互摄动的影响，具有不同l的各种形状的椭圆轨道因受到的影响不同，能量有差别，使原来简并的能级分开了，角量子数l最小的、最扁的椭圆轨道的能量最低。 磁量子数m l(轨道方向的量子数)，决定了电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分量。所有半长轴相同的在空间不同取向的椭圆轨道，在有外电磁场作用下能量不同。能量大小不仅与n和l有关，而且也与m l有关。 自旋量子数m s（自旋方向量子数）,决定了自旋角动量沿磁场方向的分量。电子自旋在空间的取向只有两个，一个顺着磁场；另一个反着磁场，因此，自旋角动量在磁场方向上有两个分量。 电子的每一运动状态都与一定的能量相联系。主量子数n决定了电子的主要能量，半长轴相同的各种轨道电子具有相同的n，可以认为是分布在同一壳层上，随着主量子数不同，可分为许多壳层，n=1的壳层，离原子核最近，称为第一壳层；依次n=2、3、4、……的壳层，分别称为第二、三、四壳层……，用符号K、L、M、N、……代表相应的各个壳层。角量子数l决定了各椭圆轨道的形状，不同椭圆轨道有不同的能量。因此，又可以将具有同一主量子数n的每一壳层按不同的角量子数l分为n个支壳层，分别用符号s、p、d、f、g、……来代表。原子中的电子遵循一定的规律填充到各壳层中，首先填充到量子数最小的量子态，当电子逐渐填满同一主量子数的壳层，就完成一个闭合壳层，形成稳定的结构，次一个电子再填充新的壳层。这样便构成了原子的壳层结构。周期表中同族元素具有相类似的壳层结构 2、光谱项 由于核外电子之间存在着相互作用，其中包括电子轨道之间的相互作用，电子自旋运动之间的相互作用以及轨道运动与自旋运动之间的相互作用等，因此原子的核外电子排布并不能准确地表征原子的能量状态，原子的能量状态需要用以n、L、S、J等四个量子数为参 数的光谱项来表征：，n为主量子数。Ｌ为总角量子数。其数值为外层价电子角量子数l的矢量和即： （1－1－1） 两个价电子耦合所得的总角量子数 L 与单个价电子的角量子数 l1、l2有如下的关系：
1-2钠原子光谱-图文
1-2钠原子光谱-图文 1.2钠原子光谱 氢原子光谱和波尔理论给出了单纯正负电荷间相互吸引作用的电场量 子化规律。正确认识复杂原子光谱的规律，是完善波尔理论的必要条件。 在多电子原子体系中，碱金属原子只有一个价电子，与氢原子的结构相似，分析二者原子光谱的异同，是研究复杂原子光谱的切入点，不但认清了同 种电荷间排斥作用的电场量子化规律，为解释元素的周期律奠定基础，还 导致电子自旋的发现。 多电子原子中存在原子核-电子、电子-电子以及自旋-轨道多重相互 作用。通过拍摄钠原子光谱，在测量波长和分析光谱线系的基础上，根据 价电子在不同轨道运动时的量子缺来理解电子-电子排斥作用对能级结构 的影响，可以较全面地掌握光谱分析技术的基本方法。 一、实验目的 （1）测量钠主线系的谱线波长； （2）了解原子光谱与原子结构的关系，求钠原子主线系的量子改正 数（量子缺）。 二、实验原理 原子中电子绕核运动的能量是量子化的。电子从一个能级跃迁到另一 能级,就要辐射或吸收一定的能量，由此形成原子的发射光谱或吸收光谱。电子在主量数为n2和n1的上、下能级之间跃迁时，其发射光谱的波数为11~1(EE)R，（1.2.1）2122hcn1n2其中E1与E2分别表示上能级与 下能级的能量，h为普朗克常数，c为光速,R为里德伯常数。每一谱
线的波数都可以表达为两光谱项之差,即 ~TT，（1.2.2）12T为光谱项,对于氢原子，光谱项可写成 TRH。（1.2.3）n2碱金属（Li，Na，K，Rb，C，Fr）原子只有一个 价电子，在由原子核和闭壳层电子组成的离子实库仑场中运动，具有和氢 原子相仿的结构，但比氢原子和类氢离子（He原子去掉一个核外电子形 成的离子）要复杂。这是由于碱金属原子中存在离子实的极化与贯穿，电 子在主量子数n相同、轨道量子数l（l=1,2,…,n-1）不同的轨道上运动，其能量并不相同。因此，电子的能量与n和l都有关系，即每个主量子数 为n的能级分为n个子能级。离子实的极化（离子实正负电荷中心不重合）与贯穿（价电子穿入离子实封闭电子壳层）都会使价电子受到附加的吸引 作用，因此能量比氢原子体系的能量要低。本质上这是电子和电子相互排 斥的表现，能量比原子核吸引所有核外电子的能量要高。 碱金属的原子光谱也明显地构成若干线系。光谱中不同线系会同时出现，重叠在一起，需要根据谱线的粗细、强弱和间隔来对所属的线系进行 识别。容易观察到的线系有4个，分别称为主线系、第一辅线系（也叫漫 线系）、第二辅线系（锐线系）和基线系（柏格曼系）。主线系的波长范 围最广，Li的第一条为红色，Na的第一条为黄色(波长589.3nm，实际上 还有精细结构，包含589.0nm和589.6nm两条谱线)。 若暂不考虑电子自旋与轨道运动相互作用引起的能级进一步分裂，由(1.2.3)式所表示的光谱项应以有效量子数n某来代替氢原子光谱项中的 整数n，因此，碱金属原子的光谱项可以表达为TRR，（1.2.4）某 22n(nl)式中n某=n-Δl，Δl是一个与n和l都有关的正的修正数，称 为量子缺(或量子亏损)。由于Δl>0（也
钠原子光谱
钠原子光谱 实验简介 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。 本实验以钠原子光谱为研究对象，通过摄谱、识谱和波长测量，求出量子缺和钠原子若干激发态能级。 实验原理 原理 ●钠原子由一个完整而稳固的原子实和它外面的一 个价电子组成。原子的化学性质以及光谱规律主要 决定于价电子。 ●与氢原子光谱规律相仿，钠原子光谱线的波数 可表示为两项差 （1）
其中为有效量子数，当无限大时，，为线系限的波数。 ●钠原子光谱项 它与氢原子光谱项的差别在于有效量子书不是整数，而 是主量子数n减去一个数值，即量子修正，成为量子缺。量子缺是由原子实的极化和价电子在原子实中的贯穿引起的。碱金属原子的各个內壳层均被电子占满，剩下的一个电子在最外层轨道上，此电子称为价电子，价电子与原子的结合较为松散，与原子核的距离比其他內壳层电子远得多，因此可以把除价电子之外的所有电子和原子核看作一个核心，称为原子实。由于价电子电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移，于是负电子的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。极化产生的电偶极子的电场作用于价电子，使它受到吸引力而引起能量降低，降低了势能，此即轨道贯穿现象。原子能量的这两项也将受到原子实的附加引力，降低了势能，此即轨道贯穿现象。原子能量 的这两项修正都与价电子的角动量状态有关。角量子数越小，椭圆轨道的偏心率就越大，轨道贯穿和原子实极化越显著，原子能量 也降低。因此，价电子越靠近原子实，即n越小、越小时，量子 缺越大（当n越小时，量子缺主要决定于，实验中近似认为
近代物理实验讲义(2021年1月)
近代物理实验讲义(2021年1月) 1原子物理实验 1-1钠原子光谱分析 对元素的光谱研究就是介绍原子结构的关键手段之一。对钠原子光谱的研究可以赢得 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磁矩 与轨道运动相互作用的科学知识，时能对电子自旋的辨认出和元素周期表做出结释。 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――叫做类 氢原子，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。碱金属原子的光谱线主要由4个谱线系组成：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有差异，而且谱线系种类也不完全相同。原子实的 极化和轨道横跨理论较好的表述了这种差别。进一步对碱金属原子光谱精细结构的研究证 实了电子自旋的存有和原子中电子的磁矩与轨道运动的相互作用，即为磁矩－轨道相互作用，这种促进作用较差，由它引发了光谱的精细结构。 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。 [实验目的] 1.掌握钠原子实验的原理及光谱测量技术。 2.排序钠原子各光谱项的量子失和钠原子若干激发态能级。 3.图画出来钠原子能级图。 [实验原理] 根据玻尔的早期理论，假设每一个原子只能处在一系列统合的稳定状态中，这些平衡 的状态由一定的能量en去叙述。这些平衡的状态叫定态，通常情况下原子可以处在能量 最轻的定态中，在外界的唤起下，原子可以光子至具备很大能量的定态中，在一定的条件下，原子可以从能量较低的定态返回能量较低的定态，多余的能量可以以光波的形式电磁 辐射出，原子的电磁辐射能量就是以具备单色频率?的形式整体表现出的，当原子电磁辐 射前的能量为e2，电磁辐射后的能量为e1，则电磁辐射光波的频率为： 1 (e2?e1)/h（1） 其中h为普朗克常数。