实验三十三利用原子发射光谱测定钠原子3p轨道能量 1目的要求 (1)摄取钠原子在可见光区的发射光谱。从所得光谱计算钠原子3P轨道能量 (2)了解原子发射光谱的概貌及其与原子中电子运动能级间的关系,对微观粒子运动 的量子化现象有初步的感性认识 3)了解WPS-1型平面光栅摄谱仪及6W阿贝比长仪的结构及使用方法 2基本原理 微观粒子运动的一个重要特征是经常明显地表现出量子现象。例如在原子中绕核运动的 电子通常不可能具有任意的能量值和动量值,而只有某些特定的能量值和动量值的运动状态 才是可出现的。 电子在同一原子中可以有许多不同的能级,电子从低能级跃迁至不同的高能级时要吸收 不同能量的光能;反之,如从不同的高能级跃迁回不同的低能级时会发射不同的光能。而光 能在实验上是以光谱中的波长位置来表征的,光能愈高,与之所对应的波长愈短;反之,光 能愈低,则波长愈长,因此可以通过光谱实验来研究电子在能级间的跃迁规律。原子中的能 级分布,以及电子在跃迁前后的运动状态等,这些都反映在光谱中谱线的位置、强弱、形态、 分布规律和精细结构、超精细结构上,所以光谱至今仍是了解微观世界的重要窗口之一。 当原子中电子由较高能级E1跃迁回较低能级E2时,就发出一条谱线,其波长节为 E2 Er E2-E1 hc he 其中h是普朗克常数,c是光速,E2和E1是用波数作单位时的能级值 量子力学表明,当考虑电子相互作用时,组态的能量按谱项进行分裂,能量最低的谱项 称为基谱项,决定基谱项可用洪特规则。而当进一步考虑旋轨偶合时,光谱项按光谱支项进 行分裂,这就是光谱的精细结构,光谱支项能量的相对高低,可由洪特第二规则来确定 从大量原子光谱实验得知,并非任意两个能级之间都可发生跃迁,只有满足下列条件的 两个电子能级之间才能发生跃迁 ①两个能级的自旋相同,即△S=0 ②两个能级的角量子数L相差1,即△L=±1。 ③两个能级的内量子数J相同或相差1,即△J=0、±1 以上规律称为原子光谱的选择定则。 钠原子中最外层电子为3s电子,钠原子光谱主要就是3s电子在不同能级间跃迁所产生 的,这些不同能级郁s,4s,5s,6s,…3p,4P,5P6P,…;3d,4d,5d,6d,…;4f,56∫7∫;等 根据前述选择定则可知,向3s能级跃迁的高能级只能是3P,4p,5p等一组P能级:向 P能级跃迁的高能级可能是4s,5s6s等一组s能级或3d,4ad,5d等一组d能级。所出现各 光谱线的波数可归纳为下列三组谱线系,即: m=3,45,6…,称主线系 V=E-E m=4,56…,称锐线系 =Em-E3pm=346…,称漫线系
实验三十三 利用原子发射光谱测定钠原子 3 p 轨道能量 1 目的要求 (1) 摄取钠原子在可见光区的发射光谱。从所得光谱计算钠原子 轨道能量。 (2) 了解原子发射光谱的概貌及其与原子中电子运动能级间的关系，对微观粒子运动 的量子化现象有初步的感性认识。 (3) 了解 WPS—1 型平面光栅摄谱仪及 6W 阿贝比长仪的结构及使用方法。 2 基本原理 微观粒子运动的一个重要特征是经常明显地表现出量子现象。例如在原子中绕核运动的 电子通常不可能具有任意的能量值和动量值，而只有某些特定的能量值和动量值的运动状态 才是可出现的。 电子在同一原子中可以有许多不同的能级，电子从低能级跃迁至不同的高能级时要吸收 不同能量的光能；反之，如从不同的高能级跃迁回不同的低能级时会发射不同的光能。而光 能在实验上是以光谱中的波长位置来表征的，光能愈高，与之所对应的波长愈短；反之，光 能愈低，则波长愈长，因此可以通过光谱实验来研究电子在能级间的跃迁规律。原子中的能 级分布，以及电子在跃迁前后的运动状态等，这些都反映在光谱中谱线的位置、强弱、形态、 分布规律和精细结构、超精细结构上，所以光谱至今仍是了解微观世界的重要窗口之一。 当原子中电子由较高能级 跃迁回较低能级 时，就发出一条谱线，其波长 v ~ 为： 其中 h 是普朗克常数，c 是光速， 是用波数作单位时的能级值。 量子力学表明，当考虑电子相互作用时，组态的能量按谱项进行分裂，能量最低的谱项 称为基谱项，决定基谱项可用洪特规则。而当进一步考虑旋轨偶合时，光谱项按光谱支项进 行分裂，这就是光谱的精细结构，光谱支项能量的相对高低，可由洪特第二规则来确定。 从大量原子光谱实验得知，并非任意两个能级之间都可发生跃迁，只有满足下列条件的 两个电子能级之间才能发生跃迁。 ①两个能级的自旋相同，即△S=0。 ②两个能级的角量子数 L 相差 1，即△L=±1。 ③两个能级的内量子数 J 相同或相差 1，即△J=0、±1。 以上规律称为原子光谱的选择定则。 钠原子中最外层电子为 3s 电子，钠原子光谱主要就是 3s 电子在不同能级间跃迁所产生 的，这些不同能级有 等。 根据前述选择定则可知，向 能级跃迁的高能级只能是 等一组 能级；向 能级跃迁的高能级可能是 4s，5s，6s 等一组 s 能级或 3d，4d，5d 等一组 d 能级。所出现各 光谱线的波数可归纳为下列三组谱线系，即： 3 p E1 E2 2 1 ~ 2 1 ~ ~ E E hc E hc E v = − = − 2 1 ~ ~ E 和E 3s，4s，5s，6s，；3p，4 p，5p，6 p，；3d，4d，5d，6d，；4 f，5 f，6 f，7 f； 3p，4 p，5p p 3 p 3s v Emp E3s m = 3，4，5，6，称主线系 ~ ~ ~ = − v Ems E3p m = 4，5，6，称锐线系 ~ ~ ~ = − v Emd E3p m = 3，4，5，6，称漫线系 ~ ~ ~ = −
3仪器试剂 WPS一1型平面光栅摄谱仪6W阿贝比长仪 汞灯 钠灯 定时钟 红快型感光板 D-19显影液 F-5酸性坚膜定影液 4实验步骤 (1)装感光板:在暗室中取一张红快型感光板,装入相板盒中,注重感光板的乳剂面 应正对曝光方向,并相板盒装到摄谱仪上,第一次摄谱,可将板移放在20mm处, (2)摄谱: ①选择摄谱条件:接通电源开关,此时电源指示和对光灯亮。调整摄谱仪光栅鼓轮示数 到81.12(中心波长600nm),狭缝在5μ皿,光栏高度在2mm,板移距离2mm。抽开相板盒的挡 光板,取下狭缝盖。 ②标准汞谱:将汞灯直接放在摄谱仪狭缝前,调节曝光选择时间继电器为20s。点燃汞 灯,预燃lmin,按起动按钮,开始曝光,曝光结束后,相板盒自动移到所选定的位置 ③钠光谱:将钠灯放在狭缝前,点燃钠灯,预燃2min,控制曝光时间仍为20s,进行曝 ④再摄谱:将板移下至40mm处,调节曝光选择时间继电器到40s,按①、② 步骤重新摄取标准汞谱和钠原子光谱。摄谱完毕后,插上相板盒档光板,取下相板盒,盖上 狭缝盖,关上电源 (3)洗板:在暗室里取出感光板,将乳剂面朝上放入显影液中,在20℃时显影5min。取 出放入停影液中1min,再放入定影液中,在18℃~25℃时定影10min。在显影,停影。定影 过程中须不断摇动液体,定影结束后,用流动水冲洗20min,最后取出晾干。 (4)读谱线谱长:在两组标准汞谱和钠光谱中,选出一组最清晰的谱线,在比长仪上读 出其对某一零点线的相对位置读数 5数据处理 作波长一比长仪读数的工作曲线:标准汞灯在510nm~610mm之间存在下列三条较 强的谱线(单位nm 546.1577.0579.1 将上列标准汞线波长对它们在比长仪上的读数作图,即得波长一比长仪读数工作曲线。 2)读钠原子光谱各谱线波长:将钠线的比长仪读数在波长一比长仪读数工作曲线上 找出相应波长。在568.2mm,568.8mm两条强度很弱的谱线(曝光时间短时可能不出现)属钠的 漫线系。余下的一对钠线,强度较大,属主线系,通常称为钠D线 (3)讨论钠D线的精细结构,计算钠原子3軌道能量:写出钠原子基态和第一激发态的 光谱项和光谱支项。由洪特第二规则确定第一激发态各光谱支项能量的高低次序,并找出它 们与钠D线的关系,从而解释钠原子3軌道上的电子跃迁回3轨道所产生的发射光谱为什么 是双线的,在计算3p轨道能量时可取此双线波长的平均值作为近似值 因对主线系 n=3,4,5,6 已知:Em=4144.9cm
3 仪器试剂 WPS—1 型平面光栅摄谱仪 6W 阿贝比长仪 汞灯 钠灯 定时钟 红快型感光板 D-19 显影液 F-5 酸性坚膜定影液 4 实验步骤 (1) 装感光板：在暗室中取一张红快型感光板，装入相板盒中，注重感光板的乳剂面 应正对曝光方向，并相板盒装到摄谱仪上，第一次摄谱，可将板移放在 20mm 处。 (2)摄谱： ①选择摄谱条件：接通电源开关，此时电源指示和对光灯亮。调整摄谱仪光栅鼓轮示数 到 81.12(中心波长 600nm)，狭缝在 5μm，光栏高度在 2mm，板移距离 2mm。抽开相板盒的挡 光板，取下狭缝盖。 ②标准汞谱：将汞灯直接放在摄谱仪狭缝前，调节曝光选择时间继电器为 20s。点燃汞 灯，预燃 1min，按起动按钮，开始曝光，曝光结束后，相板盒自动移到所选定的位置。 ③钠光谱：将钠灯放在狭缝前，点燃钠灯，预燃 2min，控制曝光时间仍为 20s，进行曝 光。 ④再摄谱：将板移下至 40mm 处，调节曝光选择时间继电器到 40s，按①、② 步骤重新摄取标准汞谱和钠原子光谱。摄谱完毕后，插上相板盒档光板，取下相板盒，盖上 狭缝盖，关上电源。 (3)洗板：在暗室里取出感光板，将乳剂面朝上放入显影液中，在 20℃时显影 5min。取 出放入停影液中 1min，再放入定影液中，在 18℃～25℃时定影 10min。在显影，停影。定影 过程中须不断摇动液体，定影结束后，用流动水冲洗 20min，最后取出晾干。 (4)读谱线谱长：在两组标准汞谱和钠光谱中，选出一组最清晰的谱线，在比长仪上读 出其对某一零点线的相对位置读数。 5 数据处理 (1) 作波长—比长仪读数的工作曲线：标准汞灯在 510nm～610nm 之间存在下列三条较 强的谱线(单位 nm)。 546.1 577.0 579.1 将上列标准汞线波长对它们在比长仪上的读数作图，即得波长—比长仪读数工作曲线。 (2) 读钠原子光谱各谱线波长：将钠线的比长仪读数在波长—比长仪读数工作曲线上 找出相应波长。在 568.2nm，568.8nm 两条强度很弱的谱线(曝光时间短时可能不出现)属钠的 漫线系。余下的一对钠线，强度较大，属主线系，通常称为钠 D 线。 (3) 讨论钠 D 线的精细结构，计算钠原子 轨道能量：写出钠原子基态和第一激发态的 光谱项和光谱支项。由洪特第二规则确定第一激发态各光谱支项能量的高低次序，并找出它 们与钠 D 线的关系，从而解释钠原子 轨道上的电子跃迁回 轨道所产生的发射光谱为什么 是双线的，在计算 3 p 轨道能量时可取此双线波长的平均值作为近似值。 因对主线系，有： 已知： =4144.9 cm-1 Emp E s v 2 ~ ~ ~ = − m = 3，4，5，6 Ems ~ Emp ~ 3 p 3 p 3s
从钠D线的波长,可求值 6注意事项 钠光灯比电孤或火花放电光源弱,摄谱时一定要控制好曝光时间。爆光时间太短,有些 谱线不清晰,甚至不出现,影响结果处理 7思考题 (1)在摄谱过程中,哪些因素会影响摄片质量? (2)用色散率较大的摄谱仪摄取钠原子光谱,可发现钠的主线系中每一线都是由紧靠二 根线所组成,试结合选择定则解释之
故从钠 D 线的波长，可求 值。 6 注意事项 钠光灯比电孤或火花放电光源弱，摄谱时一定要控制好曝光时间。爆光时间太短，有些 谱线不清晰，甚至不出现，影响结果处理。 7 思考题 (1) 在摄谱过程中，哪些因素会影响摄片质量? (2) 用色散率较大的摄谱仪摄取钠原子光谱，可发现钠的主线系中每一线都是由紧靠二 根线所组成，试结合选择定则解释之