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发射光谱分析
班级：物理112 姓名：白新源 学号：1112110228

一． 光谱定性分析
【实验背景】
光谱（spectrum）是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱的发现可追溯至牛顿时期，1666年，牛顿通过棱镜将太阳光分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色，并把这种现象叫做光谱。
1802年,英国科学家握拉斯顿( Wollaston ) 改进了实验条件,重做了牛顿实验,发现太阳光不是一道完美无缺的彩虹,而是被一些黑线所割裂。继而1814年, 德国光学专家, 物理学家夫琅和费( Fruahnofer ),光栅的发明者,他继续研究了太阳光谱，他发现了太阳光谱中有700多条黑线, 并对这些黑线的相对位置进行了排列。后人为了纪念他,把太阳光谱的黑线叫做夫琅和费线。而后展开了对光谱的研究。
需要特别注意的是，光谱历史上发生的最重要事件之一，1859年10月, 克希霍夫（Kirchhoff）自和本生（Bunsen）,首先将分光镜用于化学分析,他们细致研究了金属在蒸发到火焰中或放电中就会发出同样的光谱。他们指出在某矿水中的光谱中发现两条不知来源的蓝线,他们宣布发现了新的碱金属元素,这就是铯。一年以后,他们又研究了锂云母矿,根据出现了两根红色谱线而发现了新元素铷。光谱分析法自此被开创。
这一时期，通过光谱分析, 相继发现了许多新元素。

【实验目的】
1. 学习摄谱所使用的仪器
2. 了解光谱定性分析的一般方法

【实验仪器】
低压交流电弧发生器， NCⅡ-28中型石英梭镜摄谱仪

【实验原理】
原子通常处于基态，但当受到外部激励时，可从基态跃迁到能量较高的激发态。激发态十分不稳定，在非常短的时间内便会向低能级跃迁，同时辐射光子，由于各元素原子都有其特定的能级结构，故辐射出的光子包含不同频率，这些光经光谱仪分光形成按波长排列的光谱，通过识别这些特征光谱，可确定样品中所含元素。
要得到原子的发射光谱必须使样品变为汽态，并激发，最常用的是热激发，即用电弧或电火花等光源激发。得到谱线后与波长标尺铁谱进行比对，由于各元素的谱线互不相同，所以只需确定三条以上谱线，就可以判断某元素的存在。一般光谱分析是利用元素的最后线作为分析线。最后线是当样品中某元素百分含量减小时，最后仍能拍摄到的一些谱线，故也是最灵敏线。

如图1. 所示。被分析样品经电弧激发形成光源，光源1经2,3聚光到狭缝4，相当于新的光源射到准直镜5,经5反射到棱镜6，经散射、聚焦后投射到照相底板8形成光谱。
Hartman光栏，如图2. 所示。光栏上有9借助光栏上阶梯排列的小方孔个孔截取狭缝的不同部位，可在一片底片上并列排摄9张谱图而不需要移动底片，可减少移动带来的机械误差。图中2,5,8号用来拍铁谱，其他用于拍样品，ab口用于重叠拍摄。

8

7

6

4

1
3
2
5

图1. NCⅡ-28中型石英梭镜摄谱仪光路示意图 1-光源 2,3-聚光系统 4-狭缝
5-球面反射镜6-分光镜 7-照相物镜 8-照相底板
9

7
8

5
6

a b
3
4
2

1

图2. Hartman 光栏的形状

【数据记录】
Si(硅）/
Fe(铁)/
Mn(锰)/
Fe/
Zn(锌）/
Fe/
2528.5
2529.8
2798.3
2799.2
3302.9
3302.6

3306.4

2527.3
2797.9
3298.4
2524.1
2524.3
2794.8
2795.1
2771.0
2770.9

2772.2

2523.7
2794.9
2770.7
2519.2
2519.7
2605.7
2607.0
2569.0

2570.6

2518.8
2604.7
2569.0
2516.1
2516.7
2593.7
2594.1
2684.2

2684.8

2514.9
2593.6
2682.1
2514.3
2514.4
2576.1
2576.7
2608.6

2609.2

2513.4
2575.8
2607.0
2506.89
2507.9

2506.6
表1. 指定元素灵敏线波长及临近铁波长表

【学习与收获】
铁谱~波长标尺：为什么要以铁谱作为谱线标尺？
1. 除少数原子光谱外，大部分原子光谱都比较复杂，铁光谱已被人们精确测量，可作为波长
标尺使用
2. 铁谱的谱线非常多，在210nm~660nm波长范围内有4600条谱线
3. 铁谱线分布均匀，容易与其它谱线进行比对
影响谱线强度的因素
根据谱线强度经验公式导出式

A k j -- 跃迁几率
Hγkj -- 光子辐射能量
Gk -- 统计权重
Z -- 配分函数
α -- 电离度
p -- 解离度
T -- 绝对温度
K -- 波尔兹曼常数
K -- 激发能量
N -- 元素的总浓度, 在全激发的情况下就是元素的含量c，则

若想建立谱线强度I与含量c之间的单值关系, 必须在样品分析工作中有确定的a值。
影响a的因素有很多，如样品本身的跃迁几率，弧燃中的化学反应，有效电离电位及电弧温度等；光源的选择：一般对光源的要求是分析的灵敏度要高, 对微量痕量元素含量反应要灵敏, 稳定性、再现性要好，同时光谱背景要小, 适应分析的范围宽。在光源选定之后,还要要求电压、电流等参数都要稳定。

共振线（resonance line）：原子受到外界能量激发时，其外层电子从基态跃迁到激发态所吸收或外层电子由激发态直接跃迁到基态时所辐射的谱线，其吸收谱线具有最小激发电位，最易被激发，但也最强。其中跃迁到较低能级的激发态的谱线称为第一共振线，一般也是元素的最灵敏线。

最后线（persistent line）：当样品中某元素百分含量减小时，最后仍能拍摄到的一些谱线。元素的最后线就是其第一共振线，也是最灵敏线。

灵敏线（sensitive line）：在发射光谱分析中，一般指激发电位较低，强度较大的谱线。多是共振线。

分析线（analytical line）：灵敏线、共振线和最后线的通称。在进行光谱分析时所指定的某一特征波长的谱线，一般是从第一激发态状态下跃迁到基态时，所发射的谱线。该谱线的灵敏度高，选择性强。

本实验主要学会了铁谱的辨识，再利用铁谱比对待测样品的光谱，定出样品中的元素。

【参考文献】

[1]赵树民. 对发射光谱分析影响质量因素的探讨. 吉林地质. 1987-10-01
[2]杨铭珍. 发射光谱分析方法的发展. 辽宁师范大学学报自然科学版. 1985-04-02
[3]黄本立. 发射光谱分析激发光源的一些新发展. 分析化学. 1978-03-02
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