最新实验31 原子发射光谱与吸收光谱的观测与分析.docx
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最新实验31原子发射光谱与吸收光谱的观测与分析
实验31 原子发射光谱与吸收光谱的观测与分析
实验31 原子发射光谱与吸收光谱的观测与分析
院系：
理工学院光信息3班 4号参加人 实验人：
和河向 05323086 2007.4.12
〔实验目的〕
1、学会使用光学多通道分析器的方法。
2、通过对钠原子光谱的研究了解钠原子光谱的一般规律。
3、加深对钠金属原子中外层电子与原子核相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了解。
4、了解紫外――可见吸收光谱的基本规律。
5、初步学会测量物质的吸收光谱。
〔实验仪器〕
光学多通道分析器（WGD-6型）、光学平台（GSZ-II型）、汞灯、钠灯、溴钨灯光源、计算机等。
〔实验原理〕
一、原子发射光谱
1、发射谱线
钠原子与氢原子相似，只有一个价电子，内层电子与原子核构成原子实。
因此价电子在原子实的力场中运动，情况又与氢原子不同。
由实验可知钠原子的光谱线公式为：
其中
为光谱线的波数；R为里德伯常数；
和n为原始态和终态的主量子数；
和
分别为始态和终态的轨道量子数；
和
分别为该量子数决定的能级的轨道量子数。
对于钠原子的光谱，可分为一下四个系：
主线系：
np－>3sn=2,3,4… 锐线系：
ns－>3pn=4,5,6…
漫线系：
nd－>3pn=3,4,5… 基线系：
nf－>3dn=4,5,6…
这些谱线中，各线系所在光谱区域不同。
主线系只有3p－>3s的两条谱线在可见区，其余在紫外区。
钠原子的主线系的第一组线就是有名的双黄线。
2、吸收谱线
光在一定波长范围内，若物质对光的吸收不随波长而改变，叫做一般吸收；相应的，若吸收随波长而变，叫选择吸收。
任一介质都是在一个波段范围内表现为一般吸收，在另一个波段范围内将可能表现为选择吸收。
紫外和可见光区的吸收光谱实质是在电磁辐射的作用下，多原子分子的价电子发生跃迁而产生的分子吸收光谱（又称为电子光谱）。
媒介对光的吸收由朗伯定理和比尔定理描述。
朗伯定理：
设由一平面光波在一各向同性的均匀媒质中传播，经厚度为
的平行薄层后，光强从I变化到I+dI，则dI/I与
成正比，即有
，则
，
是
＝0时的光强，
为常数，叫吸收系数。
在较多情况下，当气体的分子或溶解在溶剂中的某些物质的分子吸收光时，吸收系数与光波通过的路程上单位长度的内吸收光的分子数也就是浓度c成正比，即
，则朗伯定理变为
。
若以
为透过率，以
表示吸光率，则可得到比尔定律的数学形式：
或
（
）
因此，得到的吸收谱线中的峰值表示介质对这部分的光吸收较为强烈。
3、色散系统
因为测量中的谱线通常很接近，因此要用到，色散系统将光谱分开以便观察。
本实验中利用的是光栅摄谱仪。
通过光栅对光线进行分光。
分光原理在这里就不赘述了。
〔实验步骤〕
1、原子发射光谱的观测。
（1）打开实验装置，对汞灯和钠灯进行预热。
（2）用光学多通道分析器对汞灯发射光谱进行拍摄，从440nm开始至540nm，每隔20nm，对所摄谱线进行定标；每次定标完成后，换上钠灯进行双黄线的测量。
2、原子吸收光谱的观测。
（1）打开机器进行预热。
（2）用汞灯对440nm的光谱线进行定标，误差是
nm。
换上溴钨灯，观测以水为本底的透射率曲线，并记录保存。
（3）观测以溴钨灯通过不同浓度的高锰酸钾溶液后的透射曲线，并参照以水为本底的溴钨灯的透射率。
定出高锰酸钾溶液每条吸收期限的吸收峰波长并验证比尔定律。
〔实验注意事项〕
1、调整光学多通道分析器的刀口时，要缓慢避免拧得太紧损坏刀口。
2、用汞灯或钠灯测量时要避免别的光源的干扰。
3、拿比色皿时要拿有毛玻璃的面，测量的过程要保证溴钨灯在同一位置上。
测量不同浓度的吸收谱线时尽量把比色皿放在同一位置。
〔实验数据处理〕
一、钠原子发射光谱的观测。
放上汞灯，调整出合适的三个峰值，对其发射光谱的三条标准谱线波长值进行定标。
它们分别是：
绿色546.07nm黄色 576.96nm黄色 578.97nm。
定标过程包括手动定标（图1），曲线拟合（图2），得到定标坐标（图3），对钠灯双黄线的光谱进行测量（图4）。
得到不同定标下对钠双黄线波长的测量值如表1所示。
表1 钠双黄线的测量
1
2
3
4
5
6
汞灯定标/nm
440.1
459.3
479.7
500.2
520.2
540.6
钠双黄线1/nm
588.360
588.568
588.660
588.702
588.712
588.774
钠双黄线2/nm
588.939
589.145
589.167
589.206
589.218
589.278
可知钠双黄线的波长为：
标准误差为：
＝0.06nm
所以
＝588.62
0.06（nm）
同理：
标准误差为：
0.05nm
所以
＝589.16
0.05nm
可见，钠的双黄线的波长分别为588.62nm和589.16nm，测量所得结果误差较小，在误差允许范围内基本达到实验要求。
可以从不同的定标所测的结果看到：
随着定标波长的增大，所测得的双黄线的波长也会不断的增大。
为什么会出现这样的情况，我是不能解析的。
二、原子吸收光谱的观测
以溴钨灯通过水的吸收后的光强为基准
，以溴钨灯透过不同浓度的高锰酸钾溶液的吸收后的光强为
，则可以绘出吸光度
，的光谱线。
如图5（a）～11（a）所示，利用高斯拟合，可以得到拟合曲线图5（b）～10（b）。
并可以得到各浓度的高锰酸钾溶液的吸收曲线的吸收峰波长，见列表2～7。
表2 0.01浓度的吸收峰波长
序号
1
2
3
4
5
峰值波长/nm
482.81
503.74
526.22
545.66
572.45
表3 0.0125浓度的吸收峰波长
序号
1
2
3
峰值波长/nm
493.42
546.31
573.36
表4 0.02浓度的吸收峰波长
序号
1
2
3
4
峰值波长/nm
507.42362
537.44447
560.80021
580.08191
表5 0.025浓度的吸收峰波长
序号
1
2
3
4
峰值波长/nm
503.29719
526.88934
543.72685
566.44037
表6 0.05浓度的吸收峰波长
序号
1
2
3
4
5
峰值波长/nm
482.62
505.93
526.22
545.34
567.97
表7 0.1浓度的吸收峰波长
序号
1
2
3
4
5
6
峰值波长/nm
484.27
507.16
535.22
542.75
553.02
566.44
对峰值点的拟合，有的用了4个高斯函数，而有些用了6个，峰值点的设定主要由曲线的形状决定，以尽量符合原来图形的变化趋势。
对于半宽的选择也是以符合图形为主，一般选在10～15之间。
但是存在的问题是浓度是0.0125的曲线在603.28nm之后的曲线中出现了Ａ为负数的情况。
可能是根实验中的杂散光的影响和做0.0125浓度的样品时样品摆放的位置有影响。
需要说明的是，在做0.0125浓度的样品的观测时，发现样品的外表面上有指纹和样品的溶液残留，后来用清水清洗了器皿后重新实验，可能负值的产生也与此有关。
因此实际使用数据时应把这部分的数值去掉不用。
验证比尔定律。
选取在同一波长下不同浓度对溴钨灯光源的吸光度为纵坐标，以浓度为横坐标。
绘出A~c曲线，若满足线性关系则可验证比尔定律
。
由不同浓度的吸收峰波长表2至7可知，选择545nm时的各浓度的吸光度为纵坐标
C（浓度）
0.01
0.0125
0.02
0.025
0.05
0.1
A（吸光度）
0.073
0.073
0.215
0.259
0.472
0.617
为好，此时基本每条曲线都在其极大值附近。
因此可得到，A~c关系表如表8所示。
表8 不同浓度下的吸光度
利用Origin6.1对数据进行拟合，得到的拟合曲线如图11所示。
图11 验证比尔定律的曲线
其中拟合的方程为：
A=Bc其中B=7.09
0.70
拟合到的数据的相关系数为
0.95。
可见，实验结果的数据比较接近线性分布。
从图11可见，拟合点的误差较大，但数据点都均匀地分布在直线的两侧，线性相关系数比较接近于1，也可以在一定程度上验证了比尔定律。
出现比较大误差的原因与数据点的选取和绘图时点的不连续性有关。
但首先的原因是测量的方法和步骤引起的。
样品的放置和测量的方法会引起误差。
测量时谱线不可能很稳定，要由人判断相对稳定的那条谱线作为结果，其中也会引入误差。
〔实验总结〕
本实验主要基于多通道光学分析器（WGD-6型）这个自动智能的分析仪器，配合计算机进行数据的采集和分析，使对原子吸收光谱和发射光谱的观测分析变得易于实现。
利用已知的汞灯的光谱线进行定标，可测出钠光谱双黄线的波长，也可测出高锰酸钾对溴钨灯光源的吸收情况。
可以说定好标是这个实验的第一步。
此外，对于做光学实验要求的耐心、小心、严谨，虽然实验仪器精密也是要坚持的。
〔思考题〕
1、钠原子光谱有四个线系组成，主线系只有两条谱线是在可见区，其余在紫外区，主线系强度较大，锐线系轮廓清晰，慢线系显得弥漫，主线系和锐线系是双线的，慢线系和基线系是复双重线的，一般复双重线连成一片。
可以从谱线的波长范围分辨出各线系：
主线系只有两条谱线在可见区（589.0nm、589.6nm），其余在紫外区；锐线系和慢线系的谱线除第一条线在红外区外，其余都在可见区；基线系都载红外区。
2、根据高锰酸钾溶液的吸收峰波长，选择泵浦光源应有460nm到590nm范围的辐射光。
原因是吸收峰波长都在460nm到590nm内，因此光源有这段范围的光辐射就行了。
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