钠原子光谱实验报告.doc

成绩评定教师签名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 2 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 )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 ). 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 n 2与n 1 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 3 .( ) 式中 R 为里德伯常数(109 cm -1) .当 n 1= 2,n 2= 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 , 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 Δ l) 2 () 上式的Δ l 称为量子缺;而 n * 不再是整数, 由于Δ l> 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: () 式中 n 2 *与n 1 * 分别为上、下能级的有效量子数,n、Δ l与n ’、Δ