小论文题目设计用棱镜小型摄谱仪拍摄氢原子光谱的方法

1、小论文题目：设计用棱镜小型摄谱仪拍摄氢原子光谱的方法，并根据拍摄的铁及氢光谱计算出氢可见光谱（巴耳末线系）波长棱镜小型摄谱仪拍摄氢原子光谱（化学与化工学院06化学基地班，翁瑞，20061101115） 原子光谱分析这门学科通常包括原子发射光谱（Atomic Emission Spectroscopy, AES）、原子吸收光谱（Atomic Absorption Spectroscopy, AAS）以及原子荧光光谱（Atomic Fluorescence Spectroscopy, AFS）三种分析技术。它们都是根据自由原子在取得外部能量后，产生光的自发辐射、光的吸收或是荧光辐射的光谱现象以进行

2、元素检测的。它们的分析原理，所采用的实验设备包括光源、原子化器、分光和检测系统等都有所不同，有着各自的发展道路；但也有很多共同点，可以互相借鉴、利用。对于原子发射光谱分析，物质原子化和激发过程通常是在同一光源中进行的。例如一些热激发光源（电弧，火花，ICP光源等），在高温作用下物质解离形成的原子在其各能级间有不同的布居，此时可由于自发跃迁而产生光辐射，是为原子发射光谱。通常原子发射出大量的原子及离子光谱，包括自远紫外至可见、近红外很广的光谱域，都有元素灵敏线可选作分析线。原子发射光谱分析法可同时作多元素测定，它几乎可以测定元素周期表中全部元素，并且是一种灵敏，快速的分析方法。它应用范围十分广泛

3、，不论是固态，液态或者气态样品都可以直接分析。虽然它的应用已久，但目前仍是元素检测的一种重要手段。原子吸收光谱分析，是利用物质的基态原子可以吸收特定波长单色辐射的光量子，其吸收量的大小是与物质原子浓度成比例的关系为基础的。采用的光源多是稳定的元素空心阴极灯或者无极放电灯。它们的光谱简单，一般可采用低色散率的光谱仪器。原子吸收光谱分析装置简单，操作方便，有好的测定精度和低检出限，因而得到广泛应用。原子荧光光谱分析，是基于自由原子吸收特定波长光量子后激发至高能态，然后再跃迁返回至基态或低能态而发出的光辐射，这样的辐射被称为荧光辐射，荧光辐射的强度除比例于自由原子的浓度外，还随着激发光的强度的增大而

4、增强。这种荧光强度很弱，但它无一般热激发光源的背景辐射，而可得很低检出限。原子荧光辐射谱线很少，可采用低色散率光谱仪器分出荧光谱线，甚至采用简单滤光片即可。原子荧光辐射对激发光波长的选择性很强，通常是逐个元素进行分析。原子荧光辐射有饱和效应，即当激发光强增大到一定的高值时，荧光辐射不再增强，即达到一稳定极限值，而这只有采用强的激光为激发光源才能做得到。采用这种激光饱和荧光技术，目前已能检测单个原子。实验目的1、掌握摄谱仪的工作原理和使用方法.2、掌握用棱镜小型摄谱仪拍摄氢原子光谱的方法3、学习识谱和谱线测量等基本光谱实验技术.4、根据拍摄的铁及氢光谱计算出氢可见光谱（巴耳末线系）波长实验原理1

5、 氢原子光谱氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱.用电激发氢放电管中的稀薄氢气，便可获得线状的氢原子光谱，这些谱线的波长显示出简单的规律性.1885年，巴尔末根据实验结果给出一个经验公式：= (31-1)式中3、4、5，nm是经验常量，一般称这些氢谱线为巴尔末线系，用波数表示，可写成： （31-2） 式中称为氢的里德伯常量.根据玻尔氢原子理论，得到氢原子光谱巴尔末线系的理论公式为： （31-3）比较（31-2）、（31-3）式，有： （31-4）式中为电子质量，M为氢原子核质量，h为普朗克常量，e为电子电荷，c为真空中光速，为真空电容率.若假定（相当于假定核不动），则可以得到： （31-5）及

6、 （31-6）这样不仅给予巴尔末经验公式以物理解释，而且把里德伯常量和许多基本物理常量联系起来了.里德伯常量是重要的基本常量之一.由于测量里德伯常量的准确度比一般物理常量高，所以成为检验原子理论可靠性的标准和测量其它基本物理常量的依据.目前的公认值为:AABDCDECiFGHIIJJ2 恒偏向角棱镜图1 恒偏向角棱镜三棱镜的光谱实验一般在最小偏向角附近进行。由于不同波长的光和不同材料棱镜折射的最小偏向角不同，测量时要先寻找各种波长的光的最小偏向角，十分不方便。为此本实验所用的摄谱仪中采用的是恒偏向角棱镜，其结构如图1所示。ABD是三棱镜，光线以i角入射。在三棱镜中作一正方形ACEC,同时形成了

7、一个包含在原三棱镜内的四边形ACDE。以A，E为对称轴，得到与ACDE对称的四边形ACDE。ABCDE是一五边棱镜。入射光在AE面上发生全发射。这样原经HIJ出射的光线现经HIJ出射，。当满足三棱镜的最小偏向角条件时，ii0，所以入射光和折射光偏转角度恒为90°。3. “线性内插法” 求波长从照相底版上无法直接读出各谱线的波长，为了测量某谱线的波长，我们必须在待测谱线的上方或下方并排拍摄一已知波长的光谱，叫做比较光谱，如图4-3所示，由于铁光谱具有极丰富的分布均匀的光谱线，各谱线的波长都已经过精确测定，因此比较光谱一般为铁光谱，铁谱通过纯铁电极的电弧放电得到。图2 线性内插法原理示意

8、图将氢谱和铁谱并排地拍摄在同一条谱片上，将拍摄冲洗好的谱片放在光谱投影仪上，与标准铁谱图片进行对比，即可找到待测谱线.由于铁谱线很多，总可以在每根氢谱线附近找到两根和氢谱线与一根铁谱线间的距离（例如与波长较短的一根之间的距离），则有 （31-7） 由此即可计算出该氢谱线的波长.这种方法即为线性内插法. 实验仪器实验中需要的仪器为：摄谱仪，交流电弧火花发生器，氢放电管,光谱投影仪和铁谱图，阿贝比长仪.1、摄谱仪本实验采用WPJ小型棱镜摄谱仪，其工作原理如图31-1所示，将光源发出的光经聚光镜汇聚在入射狭缝上，因入射狭缝的位置正处在入射物镜的焦面上.如图3所示：图3 棱镜摄谱仪原理图所以从入射物镜

9、射出的光为平行光.用平行光照在恒偏向棱镜上，经棱镜的分光作用，使不同波长的光以不同的角度射出，经出射物镜和照像物镜组成的透镜组（中间波长,焦距为596mm）聚焦在摄谱底片上，形成光谱，每条光谱都是入射狭缝的像.各部件的调整聚光镜位置应调成与狭缝平面平行，并在同一水平高度上，保证弧焰准确投射到入射狭缝上.电极架的调整：把聚光镜移到电极架旁边，松开支座右侧两个螺钉，可使电极架整体上下移动和转动，并使电极的交点大致位于聚光镜的焦点，接着拧紧螺钉固定其位置，然后把聚光镜往左移，在打电弧以后，利用各旋钮进行微调，使成像在狭缝的中部，并左右移动聚光镜，使之得到所要求的光斑面积.狭缝应安装在铅垂位置，否则谱

10、线将倾斜，此时可使狭缝入射光管轴线转动，直至底片上的谱线也在铅垂方向为止，然后锁紧螺钉固定其位置.看谱管在出射管内放置时，视场内的出射狭缝的两个刃口应基本与谱线平行.当入射狭缝前的光阑板用中间孔对着狭缝时，在看谱管视场内的谱线应基本在中央部位，如果相差太多，说明搁放棱镜的平台位置有变动，应加以调整，调整时先松开后面调整钉边缘紧固螺钉，用小改锥旋转调整钉直至谱线在中央部位为止，并把边缘的紧固螺钉上紧.使用摄谱仪的注意事项：摄谱仪是精密贵重仪器，使用前应先阅读说明书，各调节部分应在教师指导下进行.必须特别爱护入射狭缝，避免灰尘和赃物的入侵.使用完毕必须马上把狭缝前的曝光开关合上. 摄谱仪的狭缝不可

11、随意调节.摄谱时必须以为中心波长，即波长的谱线在看谱管视场内小指针的尖端位置.在曝光前曝光开关要关闭（往右是通光，往左是关闭）.摄谱时底片匣旁的黑色拉板要拉出来，否则会造成虚拍. 在拍同一组光谱的过程中，拍摄次序要合理，做到严格保持底片匣不动，以保证氢谱和铁谱位置无相对错动.当谱片上出现白横条纹时，说明狭缝上存在灰尘和赃物，应清理干净.氢光源和铁弧光源都有高压电源，必须注意人身安全，调整电极时必须先断电源.在调整电极时，不能接触绝缘棒的左边部分，保证操作安全.在调整电弧和火花时应戴上防护眼镜，以免伤害眼睛.铁弧电极上不能有氧化物，应经常磨光.2、氢放电管见图4，在充有氢气的放电管的两端，加适当

12、的电压，氢原子受到加速电子的碰撞被激发，从而产生辐射，这个过程称为辉光放电，辉光放电发出的光即可作为氢谱光源.使用这种放电管时请勿 图4 氢放电管流一般为几毫安（不得超过10mA220V市电通过调压器输入到霓虹灯变压器的输入端以控制其输入电压.使电压从零开始增加，直到氢放电管放电稳定即可，此时变压器的电压约为50V. 3、交流电弧火花发生器本实验采用WPL交流电弧火花发生器产生的铁电弧光作为铁谱光源.4、光谱投影仪和铁谱图光谱投影仪实际上是一个放大投影器，把底片投影在白色屏上并放大.将冲洗好的谱片放在光谱投影仪的支架上，打开开关，调节放大镜可以获得清晰的像.调节侧面旋钮，可使谱线上下、左右移动

13、.将拍摄的铁谱与标准铁谱图片进行对比，即可找到待测谱线.5、阿贝比长仪阿贝比长仪的结构及读数阿贝比长仪的测量准确度比一般测量显微镜高，它的特点是将待测谱片和一个精密玻璃标尺左右并排放在同一个可移动的工作台上，用看谱显微镜对准待测谱线，用读数显微镜读标尺上的读数.待测谱线之间的距离即为工作台的移动距离.借助于读数显微镜上的特殊装置，可以在玻璃标尺上读此测出微米级的距离，如图5所示，在显微镜的视场内可以同时看到: 玻璃毫米标尺的放大像，即图中标有数字的垂直刻线，称为主标尺.横贯视场中央的横条，其左端有一带箭头的水平标线，横条下方有010刻度，每一格的距离为，称为副标尺.图5 阿贝比长仪视场有阿基米

14、德螺旋双线（10圈）和一个将圆周分为100等份的圆形刻度尺，为螺旋螺旋线相对于副标尺移动一格时，圆形刻度尺恰好转一圈，则圆形刻度尺上每一格为,可估读到0.000 1mm.测量时毫米读数从主标尺读出，0.1 mm的读数从副标尺读出，小于0.1 mm的读数从螺旋微米计读出.例如在图31-3中，可以看到主标尺“12”、“13”两个数字，其中“12”落在副标尺内，这样毫米的读数为12，转动螺旋线调节手轮，可以使一段螺旋双线对称地落在主标尺刻线“12”上，亦即刻线对称地落在螺旋双线中间，这样0.1 mm的读数由位于主标尺刻线“12”两旁的副标尺刻度中数值较小的一根刻线读出，本图中即为0.7 mm.0.0

15、1 mm及0.001 mm的读数则在螺旋微米计上对准横条线的位置上读出，即为0.072 mm，在螺旋微米计上还可以估计到0.000 1 mm的读数，因而整个读数应为 0mm.用阿贝比长仪测量谱线间距的步骤将谱片放在置片台上，调节反射镜，使视场明亮.调节看谱显微镜目镜和物镜，使叉丝及谱线清晰.调节读数显微镜目镜，使螺旋微米计刻度清晰.调节叉丝，使之与谱线平行.移动置片台，依次测定各谱线位置.测每一条谱线时，都要使谱线位于叉丝双线的正中，然后再从读数显微镜中读出其位置读数.由各谱线的位置即可求出它们之间的距离. 为防止产生回程误差，在测定各谱线位置的过程中，应始终沿一个方向移动置片台（从左到右，或

16、从右到左），按照铁谱氢谱铁谱的顺序依次测量.实验步骤拟订摄谱计划。包括狭缝宽度、暗盒位置、光栅转角、焦距、曝光时间等都应事先订好，拍谱时按计划进行。在暗盒（或暗袋）里装好底片，注意乳胶面应朝迎光方向，然后将底片盒装在摄谱仪的片盒架上。调整光路。光路如图3所示。摄谱仪的内部光路一般已按前面所述的方法调整好，因此只需调节外光路，即，调节光源（铁电弧）与透镜L，使光均匀照亮入射狭缝。由于氢光较弱，拍摄时要将氢放电管平行地尽量靠近狭缝（勿与摄谱仪接触），使进入狭缝的光尽可能地强拍摄氢光谱。将氢灯放于狭缝前，通过毛玻璃观察谱线，调整氢灯的位置，使观察屏上显示出四条光谱线，装好干板，拍摄氢光谱。曝光时间数

17、十秒。拍摄比较光谱。打开电弧，待其稳定后，打开狭缝前的光门，曝光12秒钟。按照规定的时间和温度冲洗照相底片。用“线性内插法”测量和计算氢光谱线的波长a为每一条氢光谱线选定一组合适的比较光谱和两条合适的铁光谱线。b把在照相底片上位于这些氢光谱线附近的铁光谱与实验室提供的铁光谱图做对比，根据铁光谱线的相对强度和相对间距等特点，在铁光谱图上找出被选定的铁光谱线并读出其波长值。注意，选择谱线时，最好使三根谱线的几何间隔小于1毫米，不过谱线间隔也不宜太近，以免两谱线连成一片而引进测量误差。同时要选用狭细而黑度适中的谱线，使它们的几何位置的测量误差尽可能小一些。c对每根氢光谱线，用阿贝比长仪测出与的值，算

18、出氢光谱、的波长。(用45式算出的值是在空气中的波长，因为铁光谱图上标出的是在空气中的波长)。注意事项1、拍摄铁谱时，注意人身安全，防止电击。2、摄谱仪内部光路已经调好，不要再动。3、在拍摄待测谱线与比较谱线时，要注意不要将照相底版盒移动。因为任何微小的移动都会引起两个光谱的相对移动，此时用内插法计算时便失去实际意义。为了保证不移动底版盒就可以并排拍摄两个或两个以上的光谱，在摄谱仪的平行光管的狭缝前面装有一个光栏，叫哈特曼光栏。如图4-4所示。在哈特曼光栏上并排有三个小孔，保持底版盒的位置不动，移动哈特曼光栏让光分别通过不同高度的孔，就可以拍摄底片上不同高度的光谱。通常用中间孔用来拍摄待测光谱

19、，而用上、下两孔拍摄比较光谱。附录 自克希荷夫（G. Kirchhoff）和本生(R. Bunsen)采用原子光谱技术作元素分析以来，已有一百五十年之久发展的历史，很早以前，它在天文、物理、化学的科学技术领域就有应用，现在又有进一步渗透到国民经济和科学技术各个领域，应用范围十分广泛。原子光谱分析技术的发展，是与现代科学的发展紧密联系着的。它的发展有赖于现代光学和光谱学、光谱仪器、现代光源、光电子和电子技术，以及计算机技术等进步与发展。现代原子光谱分析技术已经发展到了这样的程度：利用计算机控制的光量计，可以在几分钟内报出几十种元素的分析结果；利用激光荧光和激光电离技术，可以检测出单个原子；利用高

20、稳定度光源，快速分析高合金成分精度达到1%以内；利用一般的原子光谱技术检测痕量成分，不难从上亿个直到亿万个原子中检测出一个杂质原子。下面介绍近年来在光谱学应用方面的实际例子。  1光谱分析在木材染色工业中的应用为探索染料在染色木材中的存在形式以及染料分子与木材分子的结合形态，选用毛白杨做试材，用两种酸性染料通过真空浸注方式对其进行染色，运用傅立叶变换红外光谱仪对木材染色前后进行红外光谱分析。结果表明：在不加入其他助剂的情况下，两种染料对毛白杨染色没有出现新的吸收峰，没有新的官能团产生；染色过程中木材发生了物理和化学变化，其部分官能团的吸收强度发生了改变，染料分子的部分官能团占据了木材中的部分官能团的位置，也存在覆盖现象。从而，为染料与木材结合机理的研究提供了有效的研究手段，使颜料成分的选配变得简单方便。2CdS纳米颗粒的制备及其光谱研究不同种类纳米材料的制备与大量使用等新型工业越来越受到人们的关注。但是，采用什么样的检测技术，成为纳米材料制备中倍受关注的工艺流程。采用化学合成法，以六偏磷酸钠作为稳定剂，通过控制反应物的浓度及比例，制备了不同粒径的CdS纳米颗粒，采用超高分辨电子显微镜观察了颗粒形貌，通过吸收光谱、荧光光谱研究CdS纳米颗粒的量子尺寸效应及表面态、杂质