实验三十三 利用原子发射光谱测定钠原子轨道能量 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等一组能级或等一组能级。所出现各光谱线的波数可归纳为下列三组谱线系，即：  3 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 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? 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。