光栅光谱仪实验讲义课时：3学时教材：补充讲义简介：光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV-IR），高光谱分辨率（到O.001nm），自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。实验重点：光栅光谱仪的原理、光栅光谱仪的使用。难点：氢原子和钠原子光谱原理，里德伯常数的确定教学目的：1、了解光栅光谱仪的工作原理2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术教学方法教学方法：讲授法和讨论法。实验要求：在规定课时内学生独立完成实验，数据记录客观真实，图表清晰规范，养成良好的实验习惯，课前预习，描绘钠原子和氢原子的能级图并，计算氢原子的里德保常数，课后撰写实验报告。实验仪器：WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪，计算机实验原理：(一)光谱仪测量原理光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2，物镜M3以及输出狭缝S2构成。图1M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、G平面衍射光栅S1入射狭缝、S2光电倍增管接收、S3CCD接收
光栅光谱仪实验讲义 课时：3学时 教材：补充讲义 简介： 光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。 无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现 代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的 电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已 成为光谱研究的首选。 实验重点：光栅光谱仪的原理、光栅光谱仪的使用。 难点：氢原子和钠原子光谱原理，里德伯常数的确定 教学目的： 1、了解光栅光谱仪的工作原理 2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术教学方法 教学方法：讲授法和讨论法。 实验要求： 在规定课时内学生独立完成实验，数据记录客观真实，图表清晰规范，养成良好的实验习惯， 课前预习，描绘钠原子和氢原子的能级图并，计算氢原子的里德保常数，课后撰写实验报告。 实验仪器：WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪,计算机 实验原理： (一)光谱仪测量原理 光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的 仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2，物 镜M3以及输出狭缝S2构成。 图1 M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、G平面衍射光栅 S1入射狭缝、S2光电倍增管接收、S3 CCD接收
S2S3衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间距d称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差s=d(sinatsin)，a为入射角，β为衍射角，则可导出光栅方程：d(sina土sinP)=ma光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来，无为入射光波长，m为衍射级次，取012,"等整数。式中的“±”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射a=o，光栅方程变为dsinβ=ma。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出dβmdadcosβ复色入射光进入狭缝S1后，经M2变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图2所示）元=2d-cosysinn其中，n为光栅的旋转角度，为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说孕为一常数。光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。(二)实验原理1.氢与氛原子光谱巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹 面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块 反射试验射光栅。相邻刻线的间距 d 称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻 线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差 ， 为入射角， 为衍射角，则可导出光栅方程： 光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来， 为入射光波长，m为衍射级 次，取 等整数。式中的“ ”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正 号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射 ，光栅方程变为 。衍射角度随波长 的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出 ， 复色入射光进入狭缝S1后，经M2变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波 长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上， 再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同 波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的 波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录， 称为光栅单色仪。 在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长 和光栅角度之间的关系（如图2所示） ， 其中， 为光栅的旋转角度， 为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说 为一常数。 光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的 仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及 输出狭缝S2构成。 (二)实验原理 1. 氢与氘原子光谱 巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为
转台n?衍谢光=364.56xnm (1.6.1)光栅式中入H为氢光谱线的波长，n取3、4、5等整数若改用波数表示谱线，由V=1/a(1.6.2)则式(1.6.1)变为2=109678xcm(1.6.3)22R入射光式中109678cm-叫氢的里德伯常量，图2光栅转动系统示意图由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子的光谱规律为11VA=RA(1.6.4)(n/2)(m2/z)上式的2元meRA(1.6.5)(4)sha+m/M)是元素A的理论里德伯常量，z是元素A的核电荷数,n1，n2为整数，m和e是龟子子的质量和龟荷，e是真空介电常数，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的质量：显然，RA随A不同略有不同，当MA→8时，便得到里德伯常量2元2metR.(1.6.6)(4元)ch3所以，R.(1.6.7)RA1+m/M^应用到H和D有R.(1.6.8)R=1+m/MgR.(1.6.9)RD=1+m/M,可见RD和RH是有差别的，其结果就是D的谱线相对于H的谱线会有微小位移，叫同位素位移，是能够直接精确测量的量，测出，，也就可以计算出RH，Rp和里德伯常数Ro，同时还可计算出D，H的原子核质量比MD-m(1.6.10)M.M-+m/M式中m/M=1/1836.1527是已知值．注意，元是指真空中的渡长.周光波，在不筒齐质中波长是不同的，唯有频率及对应光子的能量才是不变的．我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长.空气的折射率随波长的变化如表1.6.1所列.但在实际测量当中，受所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。表1.6.1空气折射率随波长的变化（15℃，760mmHg，干燥）
(1.6.1) 式中λH为氢光谱线的波长，n取3、4、5等整数． 若改用波数表示谱线，由 (1.6.2) 则式(1.6.1)变为 (1.6.3) 式中109678 cm-1叫氢的里德伯常量． 由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子的光谱规律为 (1.6.4) 上式的 (1.6.5) 是元素A的理论里德伯常量，z是元素A的核电荷数,n n 为整数，m和e是电子的质量和电荷，ε0是 真空介电常数，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的质量．显然，RA随A不同略有不同， 当MA→∞时，便得到里德伯常量 (1.6.6) 所以， (1.6.7) 应用到Ｈ和Ｄ有 (1.6.8) (1.6.9) 可见ＲD和ＲH是有差别的，其结果就是Ｄ的谱线相对于Ｈ的谱线会有微小位移，叫同位素位移． ， 是能够直接精确测量的量，测出 ， ，也就可以计算出RH，RD和里德伯常数R ，同时还 可计算出D，H的原子核质量比 (1.6.10) 式中m/MH = 1 / 1836.1527是已知值．注意， 是指真空中的波长．同一光波，在不同介质中波长是 不同的，唯有频率及对应光子的能量才是不变的．我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空 气中的波长转换成真空中的波长．空气的折射率随波长的变化如表1.6.1所列．但在实际测量当中， 受所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。 表1.6.1 空气折射率随波长的变化（15℃，760mmHg，干燥） 1， 2 ∞
入(nm)38042046050054058062066028292808279227812773276627612757(n-1)× 107氢的特征谱：12111紫外部分：赖曼系：2.34.RR月=21111=R(可见光部分：巴尔末系：=22.34.22-)111红外部分：帕邢系：n=2,34,元=11-(+-)-234-布喇开系：(1-1)1= Rg蓬得系：n=2,34,元=111-α(3-2)汉弗莱斯系：=2,342.钠原子光谱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以表示为两项差：RV=1.-其中n*为有效量子数，当n*无限大时，=记，为线系限的波数。钠原子光谱项为：T=R-R它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数不是整数筛是主量子数n减去一个数值△，即量子修正A，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。碱金属原子的各个内壳层均被子电子占满，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内壳层电子远得多，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，于是负电荷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。同时当价电子的部分轨道穿入原子实内部时，电子也将受到原子产的附加引力，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，原子能量也越低。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较小时，量子缺主要决定于l，实验中近似认为△与n无关）。电子由上能级（量子数为n，l，）跃迁到下能级（n,I)，发射的光谱线的波数由上式决定：RR[(-4(-4)如果令n,I固定，而n依次改变（/的选择定则为△=1)则得到一系列的v它们构成一个光谱线系。光谱中常用n,l-nl，这种符号表示线系。分别用S,P,D,F表示。钠原子光谱有四个线系：
λ(nm) 380 420 460 500 540 580 620 660 (n-1)×107 2829 2808 2792 2781 2773 2766 2761 2757 氢的特征谱: 紫外部分： 赖曼系： 可见光部分：巴尔末系： 红外部分：帕邢系： 布喇开系： 蓬得系： 汉弗莱斯系： 2.钠原子光谱 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以表示为两项差: 其中n* 为有效量子数，当 n* 无限大时， , 为线系限的波数。钠原子光谱项为： 它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数不是整数，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。 碱金属原子的各个内壳层均被子电子占满，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内壳层电子远得多，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，于是负电荷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。同时当价 电子的部分轨道穿入原子实内部时，电子也将受到原子产的附加引力，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，原子能量也越低。因此，价电子越靠近原子实，即n越小、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）。电子由上能级 （量子数为n,l，）跃迁到下能级(n′,l′), 发射的光谱线的波数由上式决定： 如果令n′,l′固定，而n依次改变(l的选择定则为 ),则得到一系列的 它们构成一个光谱线系。光 谱中常用n′,l′,-nl，这种符号表示线系。分别用S,P,D,F表示。钠原子光谱有四个线系：
主线系（P线系）：3S-nP，n=3,4,5.;漫线系（D线系）：3P-nD，n=3,4,5,..;锐线系（S线系）：3P-nS，n=4,5,6,.;基线系（F线系）：3P-nF，n=4,5,6..;在钠原子光谱的四个线系中，只有主线系的下级是基态（3S1/2能级），在光谱学中，称主线系的第一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名的黄双线（589.0nm和589.6nm）。钠原子的其他三个线系，基线系在红外区域，漫线系和锐线系除第一组谱线在红外区域，其余都在可见区域。主线系光谱是3’S2-nP22(n=3,4,.)之间跃迁产生的，其中上能级是双重的，下能级是单重的，因此，根据选择定则，主线系是双重结构。其短波成分和长波成分的强度比是2：1。跃迁的能级图如下：nPgr2Pat3'S.AJg锐线系光谱是3’s2一P22之间跃迁产生的，上能级是单重的，下能级是双重的。根据选择定则,锐线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度比是1：2。上能级是单重的，下能级是双重的。根据选择定则，锐线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度比是1：2。跃迁的能级图如下：n'Su23'Par23'Pur.元元九漫线系光谱是3P212-Ds232（n=3,4,..)之间跃迁产生的，这时上、下能级都是双重的。根据选择定则，漫线系应该有三条谱线，分别记为元，元，但由于相距很近，通常无法分开，两个成分
主线系（P线系）：3S-nP， n=3,4,5,.； 漫线系（D线系）：3P-nD, n=3,4,5,.； 锐线系（S线系）：3P-nS， n=4,5,6,.； 基线系（F线系）：3P-nF， n=4,5,6,.； 在钠原子光谱的四个线系中，只有主线系的下级是基态（3S1/2能级），在光谱学中，称主线系 的第一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名的黄双线（589.0nm和589.6nm）。钠原子 的其他三个线系，基线系在红外区域，漫线系和锐线系除第一组谱线在红外区域，其余都在可见区 域。 主线系光谱是 (n=3,4,.)之间跃迁产生的，其中上能级是双重的，下能级是单重的， 因此，根据选择定则，主线系是双重结构。其短波成分和长波成分的强度比是2：1。跃迁的能级图 如下： 锐线系光谱是 之间跃迁产生的，上能级是单重的，下能级是双重的。根据选择定则,锐 线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度比是1：2。上能级是单重的，下能级是双重的。 根据选择定则，锐线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度比是1：2。跃迁的能级图如 下： 漫线系光谱是 (n=3,4,.)之间跃迁产生的，这时上、下能级都是双重的。根据选择 定则，漫线系应该有三条谱线，分别记为 ,但由于 相距很近，通常无法分开，两个成分