第四部分光谱分析实验.ppt

1、第四部分 光谱分析实验,一、发射光谱分析的基本原理,发射光谱分析是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组分的。自然界中存在的不同物质都是由不同元素的原子所组成的，而原子都是由一个结构紧密的原子核及绕核运动的电子组成。每个电子处在一定的能级上，具有确定的能量，在正常情况下，原子处于稳定状态，它的能量是最低的，这种状态称为基态。但当原子受到外界能量（如热能、电能等）的作用时，原子由于与高速运动的气态粒子和电子相互碰撞而获得了能量，使原子中外层的电子从基态跃迁到更高的能态上，这种状态称为的原子的激发态。,处于激发态的原子是不稳定的，在极短的时间内便会跃迁到基态或其他较低能级中，此过程中将释放出多余的

2、能量，这种能量是一般是以一定波长电磁波的形式辐射出去的（还可能发生另一种情况，此时激发态原子在与另一粒子发生碰撞的过程中，将能量传递给该粒子而没有电磁波的发射），其辐射的能量可用下式表示： E = E2E1 = h hc/ 式中E2、E1分别为高能级、低能级的能量，通常以电子伏特为单位，h为普朗克常数； 及 分别为发射电磁波的频率及波长，C为光速。,光谱分析就是用识别这些元素的特征光谱来鉴别元素是否存在（定性分析）、或根据光谱线的强度来判断元素的含量（定量分析）。这就是发射光谱分析的基本内容。应注意，一般所谓“光谱分析”，通常就是指发射光谱分析，更确切地讲是原子发射光谱分析”，就是根据物质中不

3、同原子的能级跃迁所产生的光谱线来研究物质的化学组成。 发射光谱分析的实际过程如下：使试样在外界能量的作用下转变成气崐态原子，并使气态原子的外层电子激发到高能态。当从较高的能级跃迁到较低的能级时，原子将释放出多出的能量而发射出特征谱线。用摄谱仪对所产生的辐射进行色散分光，按波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的谱线条，即光谱图，这样就可根据所得光谱图进行定性或定量的分析。,二、光谱分析仪器,1、光源 a、直流电弧光源 b、 交流电弧 c、 高压火花发生器 2、光谱仪（摄谱仪）,棱镜摄谱仪光路示意图,3.观测设备 a、光谱投影仪 b、比长仪,实验一 氢原子光谱的研究,一、实验目的 1、通过测量

4、可见光区域氢光谱的谱线波 长，证明巴尔末规律的正确性，从而加深对波尔理论的理解。 2、测定氢的里德堡常数，对近代测量技术所能达到的测量精度有一个初步了解。 3、掌握摄谱仪、比长仪、映射仪等基本光谱仪的使用。,二、实验原理 原子光谱的规律反映了原子的电子壳层结构的规律，所以光谱是了解原子结构的重要手段。为了弄清原子光谱的规律，可以从最简单的原子氢原子入手。氢原子具有最简单的壳层结构，它的光谱也是最简单的。氢光谱由若干相互独立的光谱线系构成，较易得到的为其中的五个，其中在可见光区的只有一个，即巴尔末线系。巴尔末线系中明亮的谱线有四条，如图所示，图中各谱线的强度和间隔有规律的递减。 H H H H,

5、RH =109677.5810.008/cm-1 R=109737.31770.00083/cm-1,三、实验内容 1 熟悉WGD5组合式多功能光栅光谱仪的使用。 2 实验的主要内容是测出氢光谱在可见区域的谱线波长。测量波长的方法见 WGD5组合式多功能光栅光谱仪的介绍（附录）。 四、实验仪器 本实验用的仪器包括拍摄谱用的WGD5组合式多功能光栅光谱仪，氢光谱光源。 五、实验步骤 实验步骤自拟。 六、数据处理 1、从测得的氢谱线波长，求出其倒数，寻求合适的n值，使1/和1/n有直线关系，如(2)式所示，验证所选各n是否为连续的整数，且为3，4，5，由此所得的1/1/n曲线与直线吻合到什么程度？

6、以上可以由1/为纵坐标，1/n为横坐标的曲线图得出。由于可测得很精确，于是图必须有足够的精度，运算时也应采用相应的计算工具。 2、 将精测所得值与对应的n值代入(2)式，求出氢的里德堡常数，并从测量的误差定出所得RH的误差。与公认的RH值比较，看它们是否在误差范围之内相符。 3、 根据实验目的，作出应有的结论。 说明：实验中测得的波长是氢谱线在空气中的波长，在计算 RH 值时，严格讲应该以真空中的波长代入（2）式来计算，用空气中的波长计算大约会有万分之三的系统误差。,实验二 钠原子的发射光谱,一、实验目的 1、了解钠原子光谱的产生、接受和分析方法； 2、辨认钠光谱中各线系的谱线，并用直线内插法

7、测量波长； 3、画出钠原子的能级图，并求出钠原子的共振电势和电离电势。 4、进一步掌握摄谱仪、比长仪、映射仪等基本仪器的使用。,二、实验原理 近代人们对于原子与分子光谱的研究，在建立现代关于原子与分子结构的概念上起了决定性的作用。光谱学在物理学中也形成独立的一支，并且成功的应用于生产实际中。这里我们通过对简单原子的光谱的分析了解光谱分析的基本方法。 碱金属（Li,Na,K）原子的光谱是由碱金属原子中价电子的轨道跃迁而产生的。价电子在原子核和其他诸电子组成的“原子实”的场中运动。其轨道的形状和大小是由主量子数 n 和角量子数 L 决定的，在光谱学中 L0，1，2，3的各轨道的电子状态各以 S,p

8、,d,f 等称之，L 越大，价电子离原子实越远，轨道越接进于圆形，当价电子离原子实足够远时，其轨道因原子实的极化而引起摄动，当L 较小时,价电子离原子实十分接近,以至于轨道的一部分将穿入原子实的内部，L 越小，轨道愈扁，其贯穿原子实的程度也愈深，因而价电子运动所受的摄动也愈大，因此具有同一 n 而不同 L 的各轨道，便有不同的能量Wnl。这里各种轨道的能量用下式表示 Wnl= -Rhc/(n+L)= -Rhc/n*2 式中R为里德伯常数（对于钠原子来说，RNa=1.01735105/cm),h为普朗克常数，C为真空中光速。L为一负的改正数，它主要与角量子数L和原子序数有关，叫量子改正数，n*n

9、+L称为有效量子数。,三、实验装置和材料 （一） 摄谱 在本实验中我们用水晶棱镜摄谱仪来摄谱。为了能从所摄光谱中辨认出钠光谱线并标识它，共需拍三种光谱。首先用纯碳棒作上下电极，拍摄碳光谱；然后拍摄钠光谱，拍摄钠光谱时要将食盐(NaCl)填入碳棒端头的小孔内，作下电极，用纯碳棒作上电极，碳电极和食盐本身越纯越好，并要保持其清洁，不然在所拍的光谱中混有杂线，会给分析带来困难。 在拍摄这三个光谱的时候，底板盒均不动，而只是移动摄谱仪狭缝前的哈特曼光栏的上、中、下三个孔，这样可以避免底板盒移动带来的误差。 选择不同的曝光量，按上述次序拍摄几组谱线，并对拍好的底片进行暗室处理及干燥。,（二） 识谱 获得

10、良好的谱片后，在映谱仪上把所拍钠光谱和与它并排的纯碳光谱作比较，从而确定出钠的谱线，然后再确定各线系所属之谱线，这可根据钠原子各线系的特点辨认之。主线系的谱线比较强，并包含有该元素的最强的线，只有这条线在可见光区，其余都在紫外光区。锐线系的第一条谱线在红外区，在可见光区可测得 3-4 条谱线，其特征是谱线比较锐利清晰，曼线系的第一条谱线在红外区，在可见光区也可测得 3-4 条谱线，其特征是谱线比较漫散模糊，同时各线系谱线的强度和距离都有一定的递减规律，这可作为辨认谱线的最好依据，如果所用之摄谱仪色散率较大，则可看出钠原子的各线系均为双线或三线结构。在主线系中，双线的波长差随着波长的减小而减小；

11、在锐线系中，双线的波长差不变；曼线系是三条线构成的，基线系因超出仪器接受范围，散在红外部分看不到。,（三） 测量波长 将各条线系所属之谱线认定后，在比长仪上测定它们的波长，在本实验中，我们用所谓直线内插法求波长，如图一所示，如果未知波长x的谱线位于两条已知波长1、2的谱线之间而且当1与2的差2-1很小时，我们就可应用公式： x1 + *d1/d2,（四） 计算及作图,（五） 、注意事项： （1）由于电弧激发时，通过的电流很大（3-6安培），所以实验中拍摄过钠光谱之碳电极已吸收有钠，以后再不能作纯碳电极用。所以实验时应严格分开不能混乱。 （2）摄谱仪谱箱处附有标尺，按波长刻度，所拍出谱线的波长和用刻度尺所拍之波长偏离不大，故容易寻找出所