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《實(shí)驗(yàn)二 鈉原子光譜》由會員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、實(shí)驗(yàn)二鈉原子光譜堿金屬是元素周期表中的第一列元素(H除外),包括Li、Na、K、Rb、Cs、Fr,是一價元素,具有相似的化學(xué)、物理性質(zhì)。堿金屬原子的光譜和氫原子光譜相似,也可以歸納成一些譜線系列,而且各種不同的堿金屬原子具有非常相似的譜線系列。堿金屬原子的光譜線主要由4個線系組成:主線系、第一譜線系(漫線系)、第二輔線系(銳線系)和柏格曼線系(基線系)。堿金屬原子與氫原子在能級方面存在差異,而且譜線系種類也不完全相同。原子實(shí)的極化和軌道貫穿理論很好的解釋了這種差別。進(jìn)一步對堿金屬原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究證實(shí)了電子自旋的存在和原子中電子的自
2、旋與軌道運(yùn)動的相互作用,即自旋-軌道相互作用,這種作用較弱,由它引起了光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。鈉原子光譜及其相應(yīng)的能級結(jié)構(gòu)具有堿金屬原子光譜和能級結(jié)構(gòu)的典型特征。本實(shí)驗(yàn)通過鈉原子光譜的觀察與分析,加深對有關(guān)原子結(jié)構(gòu)、原子內(nèi)部電子的運(yùn)動、堿金屬原子的外層電子與原子核相互作用以及自旋與軌道運(yùn)動相互作用的了解,在分析光譜線和測量波長的基礎(chǔ)上,計算鈉原子中價電子的各能級和相應(yīng)的量子虧損,繪制鈉原子的部分能級圖。【實(shí)驗(yàn)原理】原子光譜是研究原子結(jié)構(gòu)的一種重要方法。1885年,巴爾末(J.J.Balmer)根據(jù)人們的觀測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了氫光譜的規(guī)律,提出了著名的
3、氫光譜線的經(jīng)驗(yàn)公式。氫光譜規(guī)律的發(fā)現(xiàn)為玻爾理論的建立提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),對原子物理學(xué)和量子力學(xué)的發(fā)展起了重要作用。根據(jù)玻爾理論或量子力學(xué)中的相關(guān)理論,可得出對氫及類氫離子的光譜規(guī)律為:(2—1)其中,為波數(shù),為氫的里德伯常數(shù)(109677.58cm),和為整數(shù)。鈉是堿金屬原子,核外有11個電子,其中這10個電子形成穩(wěn)定的滿殼層結(jié)構(gòu),并與原子核共同組成原子實(shí),在最外層只有一個價電子。在這一點(diǎn)上又與最簡單的氫原子相似,因此納原子光譜中各譜線的波數(shù),也可以用下列關(guān)系式表示:(2—2)其中R為里德伯常數(shù)(=109737.31cm-1),在氫原
4、子光譜中,和都是正整數(shù),相應(yīng)于=1,2,3,···等值,分別有賴曼譜系,巴耳末譜系,帕邢譜系等。但在鈉原子及其它堿金屬原子光譜中,由于價電子和原子實(shí)的相互作用,表現(xiàn)為原子實(shí)的極化和價電子軌道貫穿原子實(shí)的作用,因此使鈉原子的能級與氫原子的能級有顯著的不同。為此,光譜項(xiàng)中的主量子數(shù)用有效量子數(shù)替代,則:鈉原子光譜項(xiàng)可以表示為:(2—3)式中稱為量子數(shù)虧損,是原子實(shí)的平均有效電荷,有效量子數(shù)不再是整數(shù)了。當(dāng)主量子數(shù)越小,價電子越靠近原子實(shí),其運(yùn)行軌道的橢圓偏心率越大,角量子數(shù)越小,這時的數(shù)值越大,所以量子數(shù)虧損是一個與、有關(guān)的量,量子虧損是由
5、原子實(shí)的極化和價電子在原子實(shí)中的貫穿引起的,是反映原子實(shí)作用于價電子的電場與點(diǎn)電荷的電場偏離程度的物理量。理論和實(shí)驗(yàn)均證明,當(dāng)不是很大時,量子數(shù)虧損的大小主要取決于,而隨的變化不大,本實(shí)驗(yàn)中近似認(rèn)為與無關(guān)。各線系中譜線的波數(shù)可由下列公式表示:(2—4)式中,和,分別為上下能級的主量子數(shù)與量子虧損,與分別表示上下能級的有效量子數(shù),腳標(biāo)和分別表示上下能級所屬軌道量子數(shù)。如果令、固定,依次改變(Z的選擇定則為),則得到一系列的再構(gòu)成一光譜系。光譜中常用、符號表示線系,,分別用表示。鈉原子光譜通常有下列四個線系。鈉原子有4個線系:1、主線系:各
6、譜線的波數(shù)可以用下式表示:(2—5)是諸P能級(2P1/2,3/2)到基態(tài)3s能級的躍遷輻射,p能級是雙重能級,能量差隨著主量子數(shù)增加而減少,3S能級是單能級,所以主線系是雙線結(jié)構(gòu),其雙線間的波數(shù)差越向短波方向越小。主線系的譜線,除第一條(黃雙線)外,都在紫外區(qū)。2、漫線系(由D到P間的躍遷所產(chǎn)生)(2—6)是諸D能級2D3/2,5/2到第一激發(fā)態(tài)32P1/2,3/2能級的躍遷輻射,按照選擇定則,ΔJ=0、,該線系為三線結(jié)構(gòu)。隨著n的增加,圖左邊兩個躍遷的波長迅速靠近。而且強(qiáng)度相差很大,便成為一條漫散的譜線,所以,漫散系的各譜線表現(xiàn)為邊
7、緣模糊的雙線,雙線間的波數(shù)基本不變,該線系除了第一條譜線(8794.82?,8183.30?)落在紅外區(qū),大部分譜線都在可見光區(qū)。圖2—1漫線系的分裂3、銳線系:(由s到p間的躍遷所產(chǎn)生)(2—7)是諸2S1/2能級到第一激發(fā)態(tài)32P1/2,3/2能級的躍遷輻射,各譜線都是邊緣清晰的雙線結(jié)構(gòu),各雙線的波數(shù)差相等,該線系除第一條譜線(11404.2?,11382.4?)落在紅外區(qū),大部分譜線都在可見光區(qū)。4、基線系也稱作伯格曼線系(由F到D間的躍遷所產(chǎn)生)(2—8)該線系譜線在紅外區(qū)且很弱,本實(shí)驗(yàn)不作研究。鈉原子能級與能級圖:由于原子的能
8、量狀態(tài)可用光譜項(xiàng)表示,因此,把原子中所有可能存在狀態(tài)的光譜項(xiàng)即能級及能級躍遷用圖解的形式表示出來,稱為能級圖。圖2為鈉原子的能級圖。圖2—2鈉原子能級躍遷圖圖中的水平線表示實(shí)際存在的能級,能級的高低用一系列