LAB2-spektroskop, Zasadniczym jego elementem jest pryzmat z sub-stancji przezroczystej, wykazującej zjawisko dyspersji, czyli rozszczepienia barwnego


WIEiK

Grupa

Zespół nr

Data wykonania:

Nr ćwiczenia:

24

Wzorcowanie spektroskopu pryzmatycznego i analiza spektralna dostarczanych próbek gazów i ich widm

Ocena:

Podpis:

1.WPROWADZENIE

PODSTAWOWE PRAWA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ:

Prawo odbicia - kąt α pomiędzy wiązką światła padającego ,a powierzchnią prostopadłą do pow. granicznej /pomiędzy dwoma ośrodkami/ jest równy kątowi odbicia β (kątowi pomiędzy pow. prostopadłą do pow. granicznej ,a wiązką odbitą).

0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic

Prawo załamania:

0x01 graphic

gdzie: α - kąt pomiędzy wiązką padającą, a pow. prostopadłą do pow. granicznej

β - kąt pomiędzy wiązką załamaną, a pow. prostopadłą do pow. granicznej

n21- względny wsp. załamania pomiędzy ośrodkami 1 i 2

v1, v2 - prędkości rozchodzenia się fali w ośrodkach 1 i 2

0x08 graphic
1

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic

2

BUDOWA SPEKTROSKOPU

Zasadę konstrukcji tego przyrządu i bieg promieni w nim przedstawia rysunek na następnej stronie Składa się on zasadniczo z pryzmatu P oraz trzech rur, K, L, R zwróconych doń promieniście, umieszczonych w jednej płaszczyźnie. Rura K, zwana kolimatorem, ma z jednej strony wąską szczelinę S, przed którą umieszczamy źródło światła Z, a z drugiej strony soczewkę zbierającą. Szczelina kolimatora, równoległa do krawędzi łamiącej pryzmatu, powinna byli umieszczana w ognisku soczewki; wówczas rozbieżna ,wiązka światła wychodzącego ze szczeliny po załamaniu w soczewce wychodzi jako równoległa - jest to warunek konieczny dla uzyskania widma czystego i ostrego.

0x08 graphic
W pryzmacie poszczególne wiązki barwne, z których składa się wiązka światła białego, doznają różnych odchyleń i po wyjściu z pryzmatu jako wiązki równoległe padają na obiektyw O1, lunety L. W płaszczyźnie ogniskowej obiektywu powstają barwne obrazy szczeliny, które stanowią widmo promieniowania wysyłanego z źródła Z. Widmo to możemy rozpatrywać przy pomocy soczewki O2, stanowiącej okular lunety L. Aby można było przyporządkować liniom; czyli barwom widmowym określone położenie, spektroskop zaopatrzony jest w rurę R, która na jednym końcu ma skalę M, a na drugim soczewkę O3. Skala M umieszczona jest w odległości ogniskowej soczewki 03,. Przy takim jej ustawieniu każdemu punktowi skali odpowiada inna wiązka równoległa promieni wychodzących z soczewki. Rurkę R ustawia się tak, że wiązki te ulegają odbiciu na ściance pryzmatu i wpadają do lunetki L razem z rozszczepionymi promieniami widma. Dzięki takiemu urządzeniu otrzymujemy badane widmo na tle skali, co pozwala ustalić położenie barwnych prążków.

ZASADA DZIAŁANIA PRYZMATU

Zasadniczym elementem spektroskopu jest pryzmat z sub­stancji przezroczystej, wykazującej zjawisko dyspersji, czyli rozszczepienia barwnego . Rozszczepienie to polega na zachowaniu różnej wartości współczynnika załamania światła w zależności od jego różnej częstości drgań. Do analizy obszaru widzialnego promieniowania stosuje się pryzmaty ze szkła o szczególnie silnej dyspersji. Dyspersję pojedynczego promienia światła białego przedstawia poniższy rys.

0x01 graphic

Przy przejściu przez powierzchnię I promień rozszczepia się na składowe promienie barwne dzięki temu, że współczynniki załamania dla różnych barw są różne. Jak wiemy, z barwą światła wiąże się odpowiednia częstość drgań. Najsilniej załamuje się promień fioletowy, o dużej częstości, najsłabiej - promień czerwony o małej częstości drgań.

Ścianka II pryzmatu rozszczepiającego światło nie wpływa na sam proces roz­szczepienia, jaki dokonał się na ściance I. Załamuje ona tylko jeszcze bardziej promienie składowe powstałe w wynika rozszczepienia. Wstęga barwna ab, jaka powstaje na ekranie w wyniku działania rozszczepiającego pryzmatu, nosi nazwę widma promieniowania wiązki padającej A.

ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA SPEKTROSKOPU

Jako zdolność rozdzielczą przyrządu spektralnego definiujemy wielkość charakteryzującą zdolność przyrządu spektralnego do wytwarzania rozróżnialnych linii widmowych. Zwykle określa się ją jako stosunek długości fali λ odpowiadającej danej linii widmowej, do najmniejszej różnicy długości fal Δλ odpowiadającej rozróżnialnym liniom widmowym leżącym w widmie w sąsiedztwie danej linii, czyli :

0x01 graphic

BADANIE WIDM I ICH RODZAJE

Widma emisyjne

Zjawisko emisji polega na wyemitowaniu kwantu promieniowania elektromagnetycznego w procesie przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego.

Z widmami emisyjnymi mamy do czynienia obserwując bez­pośrednio ciała świecące. Pobudzenie świecenia może być: temperaturowe - ogrza­nie ciała do wysokiej temperatury, np. przez umieszczenie go w płomieniu, lub elektryczne - wyładowania w gazach. Ogrzane ciała stałe i ciecze wysyłaj światło o widmie ciągłym, które obserwujemy jako nieprzerwaną smugę zawierającą barwy od czerwieni do fioletu. Widmo to otrzymujemy umieszczając przed szczeliną spektroskopu małą żarówkę, najlepiej matową.

Pobudzone do świecenia pary i gazy dają widmo nieciągłe, złożone z oddzielnych linii. Jest to tak zwane widmo liniowe. Widmo to charakteryzuje atomy pierwiastków, a nie cząsteczki. Każdy pierwiastek posiada swoje charakterystyczne widmo, złożone z linii rozmieszczonych według praw określonego typu. Linie te tworzą tzw. serie. Ta prawidłowość widm liniowych odkryta przez Kirchhofia i Bunsena podstawą analizy chemicznej, zwanej analizą widmową. omówione wyżej widma liniowe są to tzw. widma seryjne; wysyłają je gazy o cząsteczkach jednoatomowych. Odmienny typ widm liniowych dają gazy wieloatomowe­ które emitują tzw. widma pasmowe, składające się z szeregu linii, za­czynających się w pobliżu tzw. głowicy pasma

Metoda analizy widmowej jest bardzo czuła; pozwala ona wykryć ilości substancji 10-7 mg.

W celu otrzymania widm liniowych umieszczamy przed szczeliną spektroskopu bądź to rurki z rozrzedzonymi gazami; tzw. rurki Geisslera, które pobudza się do świecenia za pomocą wysokiego napięcia, bądź to płomień palnika gazowego, do go wprowadzamy na druciku platynowym lub na kawałku azbestu związek chemiczny badanego pierwiastka.

Widma absorpcyjne.

Przy badaniu widm emisyjnych zniszczeniu ulega na ogół struktura chemiczna substancji świecącej. Można jednak analizę widmową prze­prowadzić bez zakłóceń tej struktury, mianowicie, na podstawie obserwacji tzw. pasma pochłaniania lub inaczej, widma absorpcyjnego (absorpcja - polega na przejściu atomu ze stanu podstawowego do wzbudzonego wskutek pochłonięcia kwantu energii - potrzebnej do przeniesienia elektronu na wyższy poziom energetyczny). Badaną substancję w po­staci płytki lub roztworu znajdującego się w naczyniu płaskorównoległym umie­szczamy przed szczeliną spektroskopu, na drodze wiązki światła białego, wysyłanego przez żarówkę. Okazuje się, że cząsteczki substancji przenikanej przez światło białe pochłaniaj w sposób selektywny pewne charaktery­styczne obszary widmowe, zwane pasmami absorpcji. Występują one jako ciemne smugi w różnych miejscach widma ciągłego

2. METODA POMIARU.

CHARAKTERYSTYKA SPEKTROSKOPU

Szerokość widma widzialnego, jak również położenie określonych linii widmowych na skali, zależy od właściwości dyspersyjnych materia­łu, z którego jest wykonany pryzmat. Cechowanie spektroskopu polega na przy­porządkowaniu danym podziałkom skali określonych długości fal. Dokonujemy tego używając światła substancji emitujących widmo liniowe o znanych długościach fal. Do tego celu używane są rurki jarzeniowe, wypełnione : wodorem, helem, neonem, parami rtęci, bądź innym gazem szlachetnym.

Daną rurkę umieszczamy przed szczeliną kolimatora w odle­głości 2-3 cm, ustalając jej pozycję tak, by oglądane przez lunetę widma miały jak największą jasność. Odczytujemy na skali położenie obserwowanych linii wid­mowych i otrzymane wartości zapisujemy w tabelce obserwacji - wraz z odczytanymi z tablic długościami fali odpowiadającymi danej linii widmowej.

Związek między długością fali i położeniem na skali poszczególnych linii widmowych przedstawiamy graficznie w postaci tzw. krzywej dyspersji. Sporządzamy ją przez odmierzenie na osi x położenia na skali, a na osi y - długości fali.

OBSERWACJA WIDM GAZÓW ZAWARTYCH W RURKACH GEISSLERA

Wykorzystując otrzymaną charakterystykę spektroskopu możemy określić długości fal odpowiadającym liniom widma emitowanego przez gazy zawarte w rurkach Geisslera. Na podstawie otrzymanych informacji należy zidentyfikować wypełniające rurki gazy.

3. WYNIKI POMIARÓW:

LP

Barwa linii

Intensywność

Poł. Wg. Skali

Długość fali (w nm) *)

1

czerwona

słaba

27,86

708,1

2

czerwona

silna

27,37

690,7

3

czerwona

średnia

26,86

671,6

4

czerwona

silna

25,29

623,4

5

pomarańczowa

silna

24,89

612,3

6

pomarańczowa

średnia

24,71

607,2

7

pomarańczowa

słaba

24,03

589,0

8

żółta

silna

23,57

579,0

9

żółta

silna

23,48

578,9

10

zielona

słaba

23,05

567,5

11

zielona

silna

21,89

546,0

12

zielona

słaba

21,44

535,4

13

zielona

słaba

19,42

504,5

14

zielona

słaba

19,27

502,5

15

zielona

średnia

18,72

499,1

16

niebieska

silna

18,37

491,6

17

fioletowa

silna

12,99

435,8

18

fioletowa

średnia

12,86

434,7

19

fioletowa

słaba

12,76

433,9

20

fioletowa

słaba

9,60

410,8

21

fioletowa

silna

9,09

407,7

22

fioletowa

silna

8,58

404,6

*) Długości fal odczytane z schematu laboratoryjnego

Otrzymane wyniki ilustruje załączona krzywa dyspersji

LP

Barwa linii

Intensywność

Poł. Wg. Skali

ODCZYTANA Długość fali (w nm)

WARTOŚĆ TABLICOWA

1

czerwona

silna

26,75

668

668

2

czerwona

średnia

26,32

654

brak danych

3

żółta

silna

23,93

588

588

4

zielona

słaba

21,92

546

brak danych

5

zielona

słaba

21,52

539

brak danych

6

zielona

średnia

19,38

505

505

7

zielona

silna

19,22

503

502

8

zielona

średnia

18,48

493

492

9

niebieska

średnia

17,95

486

brak danych

10

niebieska

średnia

16,75

472

471

11

fioletowa

średnia

14,30

448

447

Otrzymane wyniki (zilustrowane na zał. rysunku) wskazują, że w rurce nr 1 znajdował się hel.

LP

Barwa linii

Intensywność

Poł. Wg. Skali

ODCZYTANA Długość fali (w nm)

WARTOŚĆ TABLICOWA

1

czerwona

średnia

27,66

701

702

2

czerwona

średnia

27,39

691

693

3

czerwona

średnia

26,82

670

672

4

czerwona

średnia

26,71

667

668

5

czerwona

średnia

26,47

659

660

6

czerwona

średnia

26,29

653

653

7

czerwona

silna

26,20

650

651

8

czerwona

silna

25,88

640

640

9

czerwona

silna

25,81

638

638

10

czerwona

silna

25,63

633

633

11

czerwona

średnia

25,53

630

630

12

czerwona

średnia

25,41

626

627

13

pomarańczowa

średnia

25,24

621

622

14

pomarańczowa

średnia

25,04

616

616

15

pomarańczowa

silna

24,97

614

614

16

pomarańczowa

silna

24,88

612

613

17

pomarańczowa

słaba

24,54

603

603

18

żółta

słaba

24,33

597

597

19

żółta

średnia

24,19

594

594

20

żółta

słaba

24,04

590

590

21

żółta

średnia

23,94

588

588

22

żółta

silna

23,81

585

585

23

żółta

słaba

23,68

582

582

24

zielona

średnia

23,51

578

580

25

zielona

słaba

23,43

576

576

26

zielona

słaba

23,19

571

572

27

zielona

słaba

22,93

566

566

28

zielona

słaba

22,47

556

556

29

zielona

średnia

21,60

540

540

30

zielona

średnia

21,26

534

534

31

zielona

średnia

21,21

533

533

32

niebieska

słaba

19,85

512

514

33

niebieska

słaba

19,55

507

brak danych

34

niebieska

słaba

19,29

504

504

Otrzymane wyniki (zilustrowane na zał. rysunku) wskazują, że w rurce nr 2 znajdował się neon.

LP

Barwa linii

Intensywność

Poł. Wg. Skali

ODCZYTANA Długość fali (w nm)

1

czerwona

słaba

26,81

670

2

czerwona

słaba

26,77

669

3

czerwona

słaba

26,48

659

4

czerwona

średnia

26,34

654

5

czerwona

średnia

26,32

654

6

czerwona

średnia

26,21

650

7

czerwona

silna

25,87

640

8

czerwona

silna

25,81

638

9

czerwona

silna

25,64

633

10

czerwona

średnia

25,55

630

11

czerwona

średnia

25,42

627

12

czerwona

słaba

25,24

621

13

pomarańczowa

słaba

25,06

616

14

pomarańczowa

średnia

24,99

615

15

pomarańczowa

średnia

24,81

610

16

pomarańczowa

średnia

24,72

607

17

pomarańczowa

słaba

24,55

603

18

pomarańczowa

słaba

24,34

598

19

żółta

słaba

24,21

594

20

żółta

słaba

23,95

588

21

żółta

silna

23,82

585

22

zielona

słaba

21,64

541

23

zielona

słaba

21,30

535

24

zielona

słaba

21,24

534

25

zielona

słaba

20,42

520

26

niebieska

słaba

17,96

487

Niestety nie zdołałem zidentyfikować gazu zawartego w rurce nr 3 - mimo przeprowadzenia analizy widm wszystkich pierwiastków występujących w warunkach normalnych w stanie gazowym (być może w rurce tej znajduje się mieszanina różnych gazów ?). Wyniki zilustrowane są na załączonym rysunku.

WYSTĘPUJĄCA NIEPEWNOŚĆ SYSTEMATYCZNA:

Związana jest on ze skończoną podziałką okularu. Oszacowana przez mój zespół niepewność wynosi 0,01 skali spektrometru, co w odniesieniu do długości fali daje niepewności, które zbadałem dla wybranych punktów krzywej dyspersji - wyniki przedstawiam na następnej stronie:

SKALA SPEKTROSKOPU

BŁĄD W nm

8

0,047

10

0,066

12

0,080

14

0,091

16

0,105

18

0,123

20

0,149

22

0,186

24

0,239

26

0,309

28

0,400

Pozostałe błędy są bardzo trudne do oszacowania podam tylko ich przyczyny:

4. WNIOSKI

Analiza spektralna jest potężnym narzędziem współczesnej fizyki - jest wykorzystywana często min. w astronomii. Analiza spektralna widma gwiazd i galaktyk pozwala nam na identyfikacje pierwiastków z których są one zbudowane.

W opisanym doświadczeniu ta sama metoda pozwoliła nam na określenie zawartości rurek Geisslera - otrzymane wyniki są bardzo zbliżone do wyników tablicowych.

1

α

β

β

α



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Podstawowym czynnikiem mającym wpływ na?zpieczeństwo pożarowe budynku jest odporność ogniowa jego el
Ia System bankowy i jego elementy
Marketing mix i jego elementy, Zarządzanie ZL
ŚRODOWISKO I JEGO ELEMENTY Ped społ
Dach i jego elementy id 130797 Nieznany
System szkolenia sportowego i funkcje jego elementow, Awf- notatki, wychowanie fizyczne, Teoria spor
System marketingu i jego elementy
Scenariusz lekcji, Przedsiębiorczość kl I ATH, 4 Rynek i jego elementy
MB Szatan już został pokonany, gdyż jego klęską jest iskra Bożego Miłosierdzia, która wyszła z Pol
Plan marketingowy i jego elementy , I
ISTOTA WSPARCIA OGNIOWEGO ORAZ CHARAKTERYSTYKA JEGO ELEMENTÓW
BIOS Interpretujemy jego elementy
New Age, Definicją New Age, według jego inicjatorów, jest to nowy paradygmat, to znaczy nowy sposób
Jak sprawdzić czy istnieje podany użytkownik i jego hasło jest poprawne, PHP Skrypty
Marketing mix i jego elementy i Nieznany
BIOS Interpretujemy jego elementy
01 Środowisko naturalne i jego elementyid 2606 ppt

więcej podobnych podstron