1光电倍增管接收器 2CCD接收系统 3入射狭缝 图1-2GD-8/8A型多功能光栅光谱仪仪器外观 GD一8A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。光学系统采用的是切尔尼一特纳装置(C-T)型，如图2-1所示。 入殊闪耀光榆 图2-1切尔尼-特纳光路图 由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。其工作原理如图2-2所示。 s.I 光电 大 进 增益控制信 光电 。n变 系统控制行。 步进电机控制信 DA变无商取电子计期 图2-2光谱仪的工作原理 10
1 2 3 1 光电倍增管接收器 2 CCD 接收系统 3 入射狭缝 图 1-2 WGD-8/8A 型 多功能光栅光谱仪仪器外观 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。光学系统采用的是切尔尼-特纳装置（C-T）型，如图 2-1 所示。 图 2-1 切尔尼-特纳光路图 由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。其工作原理如图 2-2 所示。 光电信 前置放大 放 大 增益控制信 光电信 系统控制信 光谱数字信 / 变 步进电机控制信 / 变 负 高 控制信 负 压 电 步进电 驱动电 负 高 2 1 3 1 电子计算 步进电 驱动脉 图 2-2 光谱仪的工作原理 10
光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD,用光电倍增管时，出射光通过获缝S2到达光电倍增管。用 CCD做探测器时，转动小平面反射镜M1,使出射光通过狭缝S3到达CCD,CCD可以同时探测某一个光 谱范围内的光谱信号。 光信号经过倍增管（或CC①）变为电信号后，首先经过前置放大器放大，再经过A/D变换，将模拟 量转变成数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和C©D的积分时 间可以由控制软件根据需要设置。前置放大器的增益现为1,2，7七个档次，数越大放大器的增 益越高。光电倍增管的负高压也分为1,2，“，7七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负 高压相差约200V。CCD的积分时间可以在10ms-40s之间任意改变。 扫描控制是利用步进电机控制正弦机构中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入 一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲， 光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1m, 仪器中的闪耀光栅的原理如图2-4所示。 B 图2-4闪耀光栅的原理图 图中的·为光栅表面的法线，'为刻痕工作表面的法线：B和B'是相对于刻痕工作表面的法线 n'的入射角和反射角：中和日是相对于光栅表面法线n的入射角和反射角：d为光栅常数：a为刻痕 工作表面与光栅表面的夹角：a为刻痕工作表面的宽度。当入射光与光栅面的法线n的方向的夹角为p 时，而衍射角为日时，取一级衍射项时，光栅方程式为： d(sin0+sin0)=入 因此当光栅位于某一个角度时(p、日一定)，波长入与成正比。当光栅在步进电机的带动下旋 转时可以让不同波长的光进入出射狭缝，从而测出该光波的波长和强度值。 【实验原理】 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。与氢原子光谱规律相仿，钠原子 光谱线的波数。，可以表示为两项差 11
光谱仪的探测器为光电倍增管或 CCD，用光电倍增管时，出射光通过狭缝 S2 到达光电倍增管。用 CCD 做探测器时，转动小平面反射镜 M1，使出射光通过狭缝 S3 到达 CCD，CCD 可以同时探测某一个光 谱范围内的光谱信号。 光信号经过倍增管（或 CCD）变为电信号后，首先经过前置放大器放大，再经过 A/D 变换，将模拟 量转变成数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和 CCD 的积分时 间可以由控制软件根据需要设置。前置放大器的增益现为 1，2，.，7 七个档次，数越大放大器的增 益越高。光电倍增管的负高压也分为 1，2，.，7 七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负 高压相差约 200V。CCD 的积分时间可以在 10ms-40s 之间任意改变。 扫描控制是利用步进电机控制正弦机构中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入 一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲， 光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变 0.1nm。 仪器中的闪耀光栅的原理如图 2-4 所示。 α φ θ ¦Β' β n n' 图 2-4 闪耀光栅的原理图 图中的 n 为光栅表面的法线，n’为刻痕工作表面的法线；β和β’是相对于刻痕工作表面的法线 n’的入射角和反射角；φ和θ是相对于光栅表面法线 n 的入射角和反射角；d 为光栅常数；α为刻痕 工作表面与光栅表面的夹角；a 为刻痕工作表面的宽度。当入射光与光栅面的法线 n 的方向的夹角为 ϕ 时，而衍射角为 θ 时，取一级衍射项时，光栅方程式为： d(sinϕ＋sinθ)= λ 因此当光栅位于某一个角度时（ϕ、θ 一定），波长 λ 与 d 成正比。当光栅在步进电机的带动下旋 转时可以让不同波长的光进入出射狭缝，从而测出该光波的波长和强度值。 【实验原理】 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。与氢原子光谱规律相仿，钠原子 光谱线的波数σ n 可以表示为两项差 11
立=成-是 .(1) 其中n为有效量子数，当m无限大时，。=，为线系限的波数 钠原子光谱项 T=n-a R R 它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数n*不是整数，而是主量子数减去一个数值△，即量子修正 △，称为量子缺，量子缺是由原子实的极化和价电子在原子实中的贯穿起的，越小、1越小时，量 子缺△越大（当n较小时，量子缺主要决定于1，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。 主线系：相应于3s-p跃迁，=3,4,5.主线系的谱线比较强，在可见光区只有一条谱线，波长 约为589.3nm,其余皆在紫外区。由于自吸收的结果，所得纳黄线实际为吸收谱线。 锐线系：相当于3s-p跃迁，=3,4,5.其第一条谱线波长为818.9nm,其余皆在可见区域.锐张 系强度较弱，但谱线边缘较清晰 漫线系：相应于3s-p跃迁，n=3,4,5.,漫线系的谱线较粗且边缘模糊，第一条谱线在红外区，波长 约为1139.3nm,其余皆在可见光区. 基线系：3s-f跃迁，n=3,4,5.其谱线强度很弱，皆在红外区 钠原子光谱系有精细结构，其中主线系和锐线系是双线结构，漫线系和基线系是三线结构， 各谱线系的波数公式为： 主线系：=B-A,m-△， R ，(n≥3) 锐战系：元G-公nA>0 R R 漫线系：6-A,了-A》a≥) 基线系：= R R (n≥4). **.(2） 3-△"(m-△ 其中△，△。，△，△，的下标分别表示角量子数1=0,1,2,3，R为里德伯常量 1)光谱项值的确定 由测得的同一线系各光谱线的波。= 。数定出该线系的各光谱项T及线系限了。，同一线 系的相邻谱线的波数分别为 。=。-R/(n-△)2 .(3 P1=。-R/(n+1-△) .(4) 相邻谱线的波数差
12 * ~~ n R ν ν ∞ −= .(1) 其中 n 为有效量子数，当 无限大时， ∗ n∗ ν n =ν ∞ % % ,ν ∞ % 为线系限的波数 钠原子光谱项 *2 2 ( ) R R T n n = = − Δ 它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数 n ∗不是整数，而是主量子数 n 减去一个数值Δ，即量子修正 Δ，称为量子缺，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，n 越小、l 越小时，量 子缺Δ越大（当 n 较小时，量子缺主要决定于 l，实验中近似认为Δ与 n 无关）。 钠原子光谱一般可以观察到四个谱线系。 主线系：相应于 3s-np 跃迁，n=3,4,5.主线系的谱线比较强，在可见光区只有一条谱线，波长 约为 589.3 n m，其余皆在紫外区。由于自吸收的结果，所得钠黄线实际为吸收谱线。 锐线系：相当于 3s-np 跃迁，n=3,4,5.其第一条谱线波长为 818.9 n m,其余皆在可见区域.锐张 系强度较弱,但谱线边缘较清晰 漫线系:相应于 3s-np 跃迁，n=3,4,5.漫线系的谱线较粗且边缘模糊,第一条谱线在红外区,波长 约为 1139.3 n m,其余皆在可见光区. 基线系: 3s-nf 跃迁，n=3,4,5.其谱线强度很弱,皆在红外区. 钠原子光谱系有精细结构,其中主线系和锐线系是双线结构,漫线系和基线系是三线结构. 各谱线系的波数公式为: 主线系: (n≥3) (n≥ (n≥3) n≥ 2 2 (3 ) ( ) n s p R R n ν = − −Δ −Δ % 锐 线 系 : 4) R R 2 2 (3 ) ( ) n p s n ν = − −Δ −Δ % 漫 线 系 : 基 线 系 : ( 4).(2) 其中 Δs , , , Δp Δd Δ f 的下标分别表示角量子数 l=0,1,2,3, R 为里德伯常量. 1) 光谱项值的确定 由测得的同一线系各光谱线的波 数定出该线系的各光谱项 T 及线系限 ν ∞ % ，同一线 系的相邻谱线的波数分别为 2 /( ) ν n ν R n = − −Δ ∞ % % .(3) 2 1 /( 1 ) ν n ν R n % % + ∞ = − + −Δ .(4) 相邻谱线的波数差 2 2 (3 ) ( ) n p d R R n ν = − −Δ −Δ % 2 2 (3 ) ( ) n d f R R n ν = − −Δ −Δ % 1 n n ν λ % =
△n=n1-n=R/n-△)2-R/n+1-△)2=R1n2-R/n+1)2.(5》 按上式可由相邻的波数差求得n*,由此可求出各光谱项 T(m)=R/n”= .(6) (n-△)月 的值.由 =立n+R/n2=n+T(n）.(7) 又可求出各线系的值. 2》由光谱项确定能级 基态能级为 E=-hc.(⑧) 基他各激发态能级 En=-hc(n-). .(9) 因此，由主线系，锐线系，漫线系，基线系可以分别写p态，ns态，nd态和nf态各能级。 3)确定主量子数和量子缺 在每一线系，计算相邻两条谱线的波数差，由里德伯插值表求出相应的m和a,再由n一△=m+a 求出量子缺△和n.或者由氢原子T=R/n2在较高能级（血大）时，钠原子与氢原子的能量相等，定出n 再由n及n求出△，△=n-n 【实验内容及步躁】 按GD-8A多功能光光谱仪使用说明书及操作程序绘出钠光谱图并测出其波长值，由钠原子光谱 确定各光谱项值及能级值、量子缺△。 【思考题】 1.如何求出入射狭缝的最佳宽度？ 2.光栅光谱仪的理论分辨本领如何计算？怎样测量它的实际分辨本领？ 3.比较光栅光谱仪的理论分辨木领和实际分辨本领，说明两者差别大的原因
2 2 *2 1 / ( ) / ( 1 ) / / ( 1) νν ν nn n R n R n Rn R n Δ = − = −Δ − + −Δ = − + + %% % * 2 ) .(5) 按上式可由相邻的波数差求得 n ∗,由此可求出各光谱项 .(6) 的值.由 *2 2 () / ( ) R Tn R n n = = − Δ *2 / ( ν ν ν n n R n T n %% % ∞ =+ =+ .(7) 又可求出各线系的 ν ∞ % 值. 2) 由光谱项确定能级 基态能级为 E ν hc = − ∞ % .(8) 基他各激发态能级 ( E hc n n ν ν ) = − − ∞ % % .(9) 因此,由主线系,锐线系, 漫线系,基线系可以分别写 np 态, ns 态, nd 态和 nf 态各能级. 3) 确定主量子数和量子缺 在每一线系,计算相邻两条谱线的波数差,由里德伯插值表求出相应的 m 和 a,再由 求出量子缺 和 .或者由氢原子T R 在较高能级(n 大)时,钠原子与氢原子的能量相等,定出 再由 及 求出Δ, n m −Δ= + a Δ n = n 2 / n n * n * Δ= − n n 【实验内容及步骤】 按 WGD-8A 多功能光栅光谱仪使用说明书及操作程序绘出钠光谱图并测出其波长值，由钠原子光谱 确定各光谱项值及能级值、 量子缺Δ。 【思考题】 1．如何求出入射狭缝的最佳宽度？ 2．光栅光谱仪的理论分辨本领如何计算？怎样测量它的实际分辨本领？ 3．比较光栅光谱仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两者差别大的原因。 13
附：8A型多功能光栅光谱仪对钠光谱的实测谱线 智总 上8 长a 图4-1钠光谱主线系 501 1、主线系(P)3S~p n=3,4,5. A:n-33S~3p 5890A°5896A B:n=43S~4p 3302A°3303A C:n=5 3S~5p 2852.8A°2853A 10 2、漫线系(D)3p-nDn=3,4,5 A:n=33p-3D8183A°8195A B:n=43p-4D 5682A9 5688A 20 3、锐线系(S)3pnSn=4,5,6 10- A:n=43p-4S11383A°11404A° B:m=53p-5S6154A°6160A C:n=63p-6S5149A°5153.7A 3n-4gc. 图4-2钠原子能级图 14
附: 8A 型多功能光栅光谱仪对钠光谱的实测谱线 图 4-1 钠光谱主线系 1、主线系（P）3S～np n=3，4，5. A：n=3 3S～3p 5890 A° 5896 A° B：n=4 3S～4p 3302 A° 3303 A° C：n=5 3S～5p 2852.8 A° 2853 A° . 2、漫线系（D） 3p-nD n=3，4，5. A：n=3 3p-3D 8183 A° 8195 A° B：n=4 3p-4D 5682A° 5688A° . 3、锐线系（S） 3p- nS n=4，5，6. A：n=4 3p-4S 11383 A° 11404A° B：n=5 3p-5S 6154A° 6160A° C：n=6 3p-6S 5149 A° 5153.7 A° . 4 基线系 3D nF n=4 5 6. 图 4-2 钠原子能级图 14