研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现。原子光谱的观测，为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。1885年末，巴尔末（J.J.Balmer）根据人们的观测数据，总结出了氢光谱线的经验公式。1913年2月，玻尔（N.Bohr）得知巴尔末公式后，3月6日就寄出了氢原子理论的第一篇文章，他说：“我一看到巴尔末公式，整个问题对我来说就清楚了。”1925年，海森伯（W.Heisenberg）提出的量子力学理论，更是建筑在原子光谱的测量基础之上的。现在，原子光谱的观测研究，仍然是研究原子结构的重要方法之一。 20世纪初，人们根据实验预测氢有同位素，1912年发明质谱仪后，物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778，而化学家由各种化合物测得为1.00799。基于上述微小的差异，伯奇（Birge）和门泽尔（Menzel）认为氢也有同位素2H（元素左上角标代表原子量），它的质量约为1H的2倍，据此他们算得1H和2H在自然界中的含量比大约为4000：1，由于里德伯（
J.R.Rydberg）常量和原子核的质量有关，2H的光谱相对于1H的应该会有位移。1932年，尤雷（H.C.Urey）将3L液氢在低压下细心蒸发至1毫升以提高2H的含量，然后将那1mL注入放电管中，用它拍得的光谱，果然出现了相对于1H移位了的2H的光谱，从而发现了重氢，取名为氘，化学符号用D表示。由此可见，对样品的考究，实验的细心，测量的精确，于科学进步非常重要。
【实验目的】
１．学习用摄谱仪拍摄钠原子发射光谱的实验方法。
２．利用钠原子光谱谱片，测定钠原子光谱的波长，利用里德伯表求有关光谱项的有效量子数，并绘制其能级图。 【实验仪器】
１、中型石英摄谱仪２．映谱仪
３．阿贝比长仪４．铁光谱图
５·里德伯表
【实验原理】
1．碱金属原子光谱：
碱金属原子有一个价电子，其余的电子与原子核结成一个原子实，碱金属原子的光谱与氢原子的光谱规律相似，它们是由一个价电子围绕着一个原子实运动，由于原子实的影响，价电子的轨道距原子实越远，也就是当它的角量子数越大时，它的光谱项也越接近于氢的光谱项值。
我们利用钠原子光谱来研究碱金属原子光谱的规律，和氢光谱相似，所有钠原子光谱谱线的波数值（即波长的倒数）都可以用里德伯表示式即两个光谱项的差值表示：
(1)
式中n* 称为有效量子数，n*=n+Δ ，n为正整数，Δ为介于０与1互之间的小数，∞ 为某一线系的线系限。
钠光谱有四个线系：
主线系（Ｐ线系）3S－nP n=３、４、５、……
漫线系（ｄ线系）3P－nD n=３、 ４、 ５、……
锐线系（Ｓ线系）3P－nS n=４、５、６、、…·，
基线系（ｆ线系）3D－金银花绿原酸nf ｎ＝４、５、６、……
在钠光谱中，我们可以看到各个线系一些明显的特征，这些特征在其他碱金属光谱中也可以看到，首先它们每条线都分裂成双线结构，对不同线系这种分裂的大小和两线的强度比不同，但它都是有规律的变化。这种双线的出现是由于电子自旋与轨道耦合而引起的能级进一步分裂所造成，本实验中，不着重分析能量的这种分裂，其次各个线系外貌也很不相同，如主线系各谱线强度均较大，在可见光区只有一条谱线（即Na黄线），其余皆在紫外光区。而漫线系谱线则显得浑散模糊，其谱线第一条在红外光区，在可见光区可测到３—４条．锐线系的谱线较锐，各双线都是等宽的，谱线的第一条亦在红外区，在可见光区通常可测到２－３条。另外还有基线系其谱线亦在红外区，限于条件，本实验不作研究。
2．利用里德伯表求有关光谱项的有效量子数：
前面已指出，钠光谱线可以用公式（1）表示，设同一线系的两相邻谱线的波数和 分别为：
或
则，同一线系两相邻谱线的波数差（项值差）：
(3)
可以利用公式（３）制一里德伯表（实验室已备有）．表中给出当ｎ=1、２、３、……１０时；Δ=0.02 、0.04、0.06 、……0.98 ……时的项值 ，以及项值差。
利用里德伯表还可以求光谱线系的线系限。从 (2) 式可知：
(4)
,……为实验测量值，由里德伯表可查出 ，……值。由公式(4)
即可计算出线系的数值。
从实验拍出的光谱板中，首先辨认哪些话线是属于哪一线系的。然后测定有关谱线波长，再由波数表查出它们的波数值来．设任意两相邻谱线的波数为νn 和νn+1，则 。由里德伯表中δ项下谈到与它最相近的数值，它的左侧即Tn值，右侧即为Tn+1值，查出Ｔ值后由表中与Ｔ同一列的上侧可得到ｎ值，由表的同一行的左侧可得到Δ值，n* =n+Δ 。
下面举例说明：
由实验结果得知钠的锐线系（3P－5S）双线的平均波长为6157.46Å，波数为16240.5 cm－1 ，（3P－6S）的平均波长为5151.38 Å ，波数为19412.3 cm－1 。这两条相邻谱线的波数差测试探针δ＝3171.8 cm－1 其δ值即5S与6S能级之间的波数差。由里德伯表中看出3171.8 cm－1 与3185.27 cm－1
相近似，则 3185.27的左侧 8282.31，显然这就是 5S的光谱项值，即T5S=8282.31 cm－1，右侧即 T6S= 5097.04 cm－1，与 T5S 相对应的 ｎ＝ ３，Δ=0.64，于是 n*＝ 3.64，与T6S对应的ｎ=４，Δ=0.64 于是n*=4.64 因此5s能级的有效量子数约为4.65 。
将以上数据代人公式(4)，很容易求出锐线系的线系限值，由实验测得（3P－铅封号5S）＝16240.5 cm－1 ，（3P－5S）＝19412.3 cm－1 ．δ＝3171.8 cm－1 ,查里德伯表得知Ｔ5S ＝8282.3 cm肩扛式摄像机－1
T6S =5097.04 cm－1 故：
……
则 16240.5 cm－1 +8282.31 cm－1 = 24522.81 cm－1
或 19412.3 cm－1 +5097.04 cm－1 = 24509.34 cm－1
得到的也就是3P能级的数值。
上面直接从里德伯表中查出的有效量子数是较粗略的近似值。利用内插入可以求出更确一些的有效量子数，由表可知δ＝3171.8 cm－1 ，是在33185.27与3138.66之间。其3185.27是
n*=4.64 与 n*=3.64两光谱项之差值。而３3138.66其n1* = 4.66与n2* =3.66两光谱项之差值故n1*应在4.64与4.66之间，n2* 应在3.64与3.66之间，它们的差别主要在于小数部分(也是Δ值）．
应用内插法，即
则n1* = 4.646 n2* = 3.646
３．棱镜摄谱仪介绍：
为了研究光谱，在本实验中我们使用的是中型石英棱镜摄谱仪。典型光路如图（１）所示
摄谱仪主要由三部分组成：准直系统，散系统和照相系统．狭缝S和准直透镜Ｌ1组成准直系统，S位于L1的焦面上。因此被分析的光通过狭缝S后再经准直透镜L1 就变成平行光。散系统就是一个棱镜Ｐ（有的棱镜摄谱仪的散系统具有两个或三个棱镜）。如果从准直系统出射的平行光是单光，则通过棱镜后平行光只是被偏折了一定的角度。照相物镜 和位于 焦面上的屏组成照相系统。被棱镜偏折的单平行光被物镜 L2 或像于它的焦面上。这个像就是光谱线，实际上它就是狭维Ｓ的单像。透镜L1和L2构成一个成象系统，被分析的单光照亮了狭缝Ｓ，成象系统L1和L2把照亮的狭缝成象上。棱镜Ｐ的甲作用是使单光偏折一定的方向，如果照亮狭缝的是多光，则由于棱镜的散作用，不同波长的单光偏折的方向也不同，于是在上得到一排被分开的狭缝的单像，即得到一排不同波长的谱线，这就是被分析的光谱。如果用光谱底片代替屏织物整理剂，就能得到光谱照片．
中型石英摄谱仪中的棱镜材料是结晶石英光学材料，这种材料有双折射现象存在，即光在两个垂直的方向上具有不同的光速，表现出不同的折射率。这种晶体可能使一束光分成两个平面偏振光，即所谓“寻常光”与“非寻常光”。因而石英棱镜就会使单光生成双重像即双重光谱线，只有入射光束，和晶体的光轴方向一致时寻常光与非寻常光的速度才相等，不
会生成双重的光谱像．显然无论是石英透镜或石英棱镜都应使光束光轴与结晶石英的光轴相重合．薯片机
石英还具有旋转偏振光的作用，即旋光作用．天然石英有左旋及右旋两种它们可使寻常光以相反方向旋转，因而柯牛式棱镜要用两块对称的左、右旋石英粘合体制成。如图(4)
。
图（2） 图（3）
４．测定谱线波长的直线内插法（即比例法）
为了测定谱线的波长，在底片上并排地拍摄两排光谱。其中一排光谱是待测波长，另一排光谱的波长是已知的，做为标准话线如图(3)所示，通常采用铁的谱线为标准谱线。在底片上很小的间距内，摄谱仪的线散可以认为是一常数，即谱线的距离与潜线的波长差成正比．如λ1 、2为靠近待测谱线人λx两侧的标准谱线的波长，ｄ为它们间的直线间距，ｄ．为待测谱线与谱线λ1之间的距离，则有：
或
根据已知谱线波长 、；测定和，即可计算出待测谱线的波长。该法对光栅仪器所摄谱线是合适的。对棱镜仪器所摄谱线波长间隔不大于10 Å 时，也可以使用内插法。大于10 Å会引入较大的误差。这是因为棱镜的散率与波长没有直线的函数关系。后一情况可用其方法计算，这里不作介绍．
【实验过程及要求】
１．拍摄光谱；
摄谱仪的调整及使用见实验室中的实验指导说明及摄谱条件卡。
为了得到钠发射光谱，可将 NaCl粉末放火光谱纯的碳电极中，碳电极的上电极磨成形，下电极的上端有一小凹槽放 NaCl。用电弧发生器分别激发其电弧及铁电弧，产生电弧．用哈特曼光阑先后拍摄 NaCl ，Fe ，Ｃ谱。
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