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《多功能光柵光譜儀的使用》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、多功能光柵光譜儀的使用-氫(氘)、鈉原子發(fā)射光譜的研究孟祥省物理工程學(xué)院qfxsmeng@163.com一、原理WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀,由光柵單色儀,接收單元,掃描系統(tǒng),電子放大器,A/D采集單元,計算機組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機械、電子學(xué)、計算機技術(shù)于一體。光學(xué)系統(tǒng)采用的是切爾尼--特納裝置(C-T)型,如圖所示。儀器設(shè)備光譜儀的工作原理圖光電信號前置放大器放大的光電信號增益控制信號系統(tǒng)控制信號光譜數(shù)字信號/變換/變換步進(jìn)電機控制信號負(fù)高壓控制信號負(fù)高壓電源步進(jìn)電機驅(qū)動電源負(fù)高壓2131電子計算機步進(jìn)電機驅(qū)動脈沖光譜儀的探測器為光電倍增管
2、或CCD,用光電倍增管時,出射光通過狹縫S2到達(dá)光電倍增管。用CCD做探測器時,轉(zhuǎn)動小平面反射鏡M1,使出射光通過狹縫S3到達(dá)CCD,CCD可以同時探測某一個光譜范圍內(nèi)的光譜信號。光信號經(jīng)過倍增管(或CCD)變?yōu)殡娦盘柡?,首先?jīng)過前置放大器放大,再經(jīng)過A/D變換,將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量,最終由計算機處理顯示。前置放大器的增益、光電倍增管的負(fù)高壓和CCD的積分時間可以由控制軟件根據(jù)需要設(shè)置。前置放大器的增益現(xiàn)為1,2,…,7七個檔次,數(shù)越大放大器的增益越高。光電倍增管的負(fù)高壓也分為1,2,…,7七個檔次,數(shù)越大所加的負(fù)高壓越高,每檔之間負(fù)高壓相差約200V。
3、CCD的積分時間可以在10ms-40s之間任意改變。掃描控制是利用步進(jìn)電機控制正弦機構(gòu)(根據(jù)光柵方程,波長和光柵的轉(zhuǎn)角成正弦關(guān)系,因此采用正弦機構(gòu)。)中絲杠的轉(zhuǎn)動,進(jìn)而使光柵轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的。步進(jìn)電機在輸入一組電脈沖后,就可以轉(zhuǎn)動一個角度,相應(yīng)地絲杠上螺母就移動一個固定的距離。每輸入一組脈沖,光柵的轉(zhuǎn)動便使出射狹縫出射的光波長改變0.1nm。B|ΥNPGOxl圖2-2正弦機構(gòu)原理本儀器主要做發(fā)射光譜實驗!所謂發(fā)射光譜就是物質(zhì)在高溫狀態(tài)或因受到帶電粒子的撞擊而激發(fā)后直接發(fā)出的光譜。由于受激時物質(zhì)所處的狀態(tài)不同,發(fā)射光譜有不同的形狀,在原子狀態(tài)中為明線光譜,如鈉燈
4、、汞、氫氘燈等。在分子狀態(tài)中為帶光譜,如氮放電燈;在熾熱的固態(tài)、液態(tài)或高壓主氣體中為連續(xù)光譜,如鎢燈、氘燈等。由于不同的元素的原子能級結(jié)構(gòu)各不相同,每種元素的光譜也猶如人的指紋一樣具有自己的特征。特別是一種元素都有被稱為“住留譜線”(RU線)特征譜線,如果試樣的光譜中出現(xiàn)了某種元素的“住留譜線”,就是說試樣中含有該元素。實驗原理(一)氫與氘原子光譜:巴爾末總結(jié)出的可見光區(qū)氫光譜線的規(guī)律為:式中為氫光譜線的波長,取3、4、5等整數(shù)。若改用波數(shù)表示譜線,由于則上式變?yōu)槭街?09678cm-1叫氫的里德伯常量。由玻爾理論或量子力學(xué)得出的類氫離子光譜規(guī)律為:上式
5、的是元素A的理論里德伯常量,z是元素A的核電荷數(shù),n1,n2為整數(shù),m和e是電子的質(zhì)量和電荷,是真空介電常量,c是真空中的光速,h是普朗克常量,MA是核的質(zhì)量。顯然,RA隨A不同略有不同,當(dāng)MA→∞時,便得到里德伯常量:所以應(yīng)用到H和D有:可見RD和RH是有差別的,其結(jié)果就是D的譜線相對于H的譜線會有微小位移,叫同位素位移。是能夠直接精確測量的量,測出也就可以計算出RH,RD和里德伯常量,同時還可計算出D,H的原子核質(zhì)量比:式中是已知值。注意,式中各是指真空中的波長。同一光波,在不同介質(zhì)中波長是不同的。我們的測量往往是在空氣中進(jìn)行的,所以應(yīng)將空氣中的波長
6、轉(zhuǎn)換成真空中的波長。但在實際測量當(dāng)中,受所用的實驗儀器的精度限制,這種變化可以忽略不計。氫的特征譜紫外部分:賴曼系:可見光部分:巴爾末系:紅外部分:帕邢系:布喇開系:蓬得系:漢弗萊斯系:鈉光譜實驗鈉原子由一個完整而穩(wěn)固的原子實和它外面的一個價電子組成。原子的化學(xué)性質(zhì)以及光譜規(guī)律主要決定于價電子。與氫原子光譜規(guī)律相仿,鈉原子光譜線的波數(shù)可以表示為兩項差其中為有效量子數(shù),當(dāng)無限大時,,為線系限的波數(shù)鈉原子光譜項T=它與氫原子光譜項的差別在于有效量子數(shù)不是整數(shù),而是主量子數(shù)n減去一個數(shù)值Δ,即量子修正Δ,稱為量子缺。量子缺是由原子實的極化和價電子在原子實中的貫
7、穿引起的。堿金屬原子的各個內(nèi)殼層均被子電子占滿,剩下的一個電子在最外層軌道上,此電子稱為價電子,價電子與原子的結(jié)合較為松散,與原子核的距離比其他內(nèi)殼層電子遠(yuǎn)得多,因此可以把除價電子之外的所有電子和原子核看作一個核心,稱為原子實。由于價電子電場的作用,原子實中帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子的中心會發(fā)生微小的相對位移,于是負(fù)電荷的中心不再在原子核上,形成一個電偶極子。極化產(chǎn)生的電偶極子的電場作用于價電子,使它受到吸引力而引起能量降低。同時當(dāng)價電子的部分軌道穿入原子實內(nèi)部時,電子也將受到原子產(chǎn)的附加引力,降低了勢能,此即軌道貫穿現(xiàn)象。原子能量的這兩項修正都與價電
8、子的角動量有關(guān),角量子數(shù)越小,橢圓軌道的偏心率就越大,軌道貫穿和原子實極化越顯著