POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI		Sprawozdanie z ćwiczenia nr 77
Piotr Bujak Alfred Giezek		Temat: Analiza spektralna oraz badanie absorpcji filtrów.
Wydział Elektroniki Rok I		Data: 96.03.29	Ocena:

CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania podstawowych urządzeń do pomiarów spektrofotometrycznych takich jak spektroskop pryzmatyczny i spektrofoto­metr Spekol oraz nabycie umiejętności skalowania spektroskopu.

WSTĘP TEORETYCZNY:

Wszystkie pomiary spektrofotometryczne polegają na zarejestrowaniu i ewentualnym zmie­rzeniu widma emitowanego, bądź absorbowanego, przez badaną próbkę materiału. Widmo emisyjne badamy w przypadku substancji, które pobudzone same emitują promieniowanie elektromagnetyczne. Widmo absorpcyjne badamy, przepuszczając przez badaną próbkę promieniowanie o widmie białym, tzn. o równej zawartości wszystkich harmonicznych. Po­przez obserwację zredukowanego widma, otrzymanego po przejściu światła przez próbkę, możemy określić jakie pierwiastki wchodzą w jej skład. Podstawy teoretyczne są następu­jące:

Pobudzony elektron schodzi na niższy poziom energetyczny emitując jednocześnie kwant energii w postaci fali elektromagnetycznej o odpowiedniej długości fali - tak powstaje widmo emisyjne;

Odwrotnie jest, gdy w przypadku dostarczenia elektronowi odpowiedniej porcji energii, pochłania on ją, wchodząc jednocześnie na wyższy poziom energetyczny. (pochło­nięte promieniowanie nie wydostaje się z próbki) - w tym przypadku mamy do czynienia z widmem absorpcyjnym.

Opis poglądowy:

Obserwację widm przy użyciu spektroskopu należało rozpocząć od skalowania przy­rządu. Polega to na odpowiednim usytuowaniu źródła światła, ustawieniu układu soczewek na ostre widzenie, a także odpowiednim ustawieniu układów nakładania skali. Skalowanie spektroskopu wykonujemy kierując na spektroskop światło emitowane przez próbkę helu, który przyjęto za wzorzec. Hel emituje falę elektromagnetyczną, która po analizie widmowej przedstawia się w postaci siedmiu barwnych prążków. Dwudziestocentymetrową skalę spektroskopu ustawiamy tak, żeby pierwszy prążek o barwie czerwonej (odpowiadający długości fali 706.52 nm) pokrywał się z kreską 0.0 skali. Pozostałe prążki o znanych długo­ściach fal pozwalają wyznaczyć, na podstawie centymetrowej skali, długości fal prążków innych badanych próbek. Spektroskop zasadniczo służy do analizy jakościowej widma, ponieważ pomiar natężenia światła w odpowiednim pasmie jest wysoce subiektywny, z uwagi na bardzo małą czułość oka ludzkiego na zmianę natężeń promieniowania widzial­nego. Z grubsza rzecz biorąc pozwala jednak na ocenę charakterystyki obserwowanego spektrum.

Do analizy ilościowej bardziej przydatny od spektroskopu jest spektrofotometr, w którym wszelkie dane otrzymujemy w postaci liczby wyznaczonej z dokładnością nawet 1%. Natężenie światła dla danej długości fali odczytujemy nastawiając pokrętło mikrometryczne spektrofotometru na tą długość i odczytując z miernika magnetoelektrycznego procentową przepuszczalność optyczną próbki. Skalowanie spektrofotometru polega na ustawieniu skrajnych wartości 0% i 100% dla próbki przezroczystej (tzn. o całkowitej przepuszczalno­ści optycznej).

Pomiary podzielono na dwie części: pomiary spektroskopem i spektrofotometrem. Badano głównie widmo absorpcyjne szklanych filtrów optycznych. Badanie filtrów za pomocą spektroskopu polegało na subiektywnym określeniu natężenia światła, w poszczególnych pasmach, po przejściu przez badaną próbkę i wyznaczeniem długości fali odpowiadającej danej wartości odczytanej ze skali. Ze względu na nieczułość oka ludzkiego na ultrafiolet i podczerwień niemożliwe było określenie przepuszczalności próbki dla odpowiadających im zakresów długości fal. Wyniki otrzymane przy tych badaniach zestawione są w tabeli i na wykresie.

Za pomocą spektroskopu badano dwa filtry - czerwony i zielony. Pomiary wykonane spektrofotometrem Spekol wykonano dla próbek czerwonej i zielonej. Nastawienia długości fali dokonano z dokładnością Δ=1nm, a odczyt przepuszczalności z dokładnością Δ=1%. Wyniki otrzymane podczas pomiarów zestawione są w tabeli oraz na wykresie.

TABELE WYNIKÓW:

	odczyt z	linie widma	długość fali
Tabela	linijki [cm]	[kolory]	[nm]
skalowania	0 - 2,4	czerwona gruba	706.52
spektroskopu	2,4 - 3,3	czerwony słaby	677.81
	3,3 - 8,2	żółta silny	587.56
	8,2 - 10,0	zielony średni	501.57
	10,0 - 11,6	zielono-niebieska	492.19
	11,6 - 19,5	niebieski śreni	471.31
	19,5 - 20	fioletowy średni	447.15

Tabela badania absorbcji filtrów: zielonego i czerwonego. Za pomocą spektroskopu:

skala spektroskopu	absorbcja filtru czerwonego	skala spektroskopu	absorbcja filtru zielonego
[cm]	[%]	[cm]	[%]
0 - 2	20 - czerwony	0 - 2	70 - czerwony
2 - 3,5	20 - pomarańczowy	2 - 2,5	60 - pomarańczowy
3,5 - 5	20 - słaby zielony	2,5 - 3	50 - żółty
5 - 20	100 - pozostałe	3 - 7	40 - zielony
		7 - 9	25 - zielono-niebieski
		9 - 15	10 - niebieski
15 - 20	5 - fioletowy

Tabela badania przepuszczalności filtrów: zielonego i czerwonego.

Za pomocą spektrofotometru na zakresie 450 -800 [nm]:

.

długość fali [nm]	% absorpcji filtru czerwonego	% absorpcji filtru zielonego	długość fali [nm]	% absorpcji filtru czerwonego	% absorpcji filtru zielonego	długość fali [nm]	% absorpcji filtru czerwonego	% absorpcji filtru zielonego
450	1,0	32,0	560	1,1	31,0	670	91,0	0,7
460	1,0	35,0	570	1,9	23,0	680	92,0	0,5
470	0,5	38,0	580	3,0	16,5	690	92,5	0,4
480	0,7	43,5	590	4,2	10,5	700	93,2	0,3
490	0,7	49,5	600	11,2	7,0	710	94,0	0,3
500	0,5	55,0	610	28,0	5,0	720	94,5	0,5
510	1,0	57,0	620	47,0	3,0	730	95,0	0,2
520	1,0	59,0	630	63,0	2,0	740	95,0	0,1
530	1,0	54,0	640	78,0	1,8	750	95,5	0,9
540	1,0	47,0	650	86,5	1,6	760	95,5	2,0
550	1,0	39,0	660	90,5	1,0

Na pomiary o dłuższej fali nie pozwolił zakres Spekolu stąd ich brak !

DYSKUSJA WYNIKÓW I ICH BŁĘDÓW:

Pierwsza część pomiarów została wykonana za pomocą spektroskopu, fakt ten miał decydujące znaczenie przy ich analizie. Pomiary, jak wcześniej wspomniałem zaczęłem od skalowania spektroskopu, co zostało wykonane z pewnym błędem bezwzględnym wynikającym z niedokładności (widzenia i porównywania ostrości i widm ultra fioletu oraz podczerwieni) oka ludzkiego. Po wyskalowaniu spektroskopu otrzymałem siedem punktów określających zależność długości fali od skali spektroskopu. Zależność ta jest nie liniowa. Można ją wyznaczyć mając dane na temat budowy pryzmatu oraz filtru, których to danych nie podano. Próba zamiany krzywej, na przedziałach między dwoma punktami wyznaczonymi, na liniową jest bezcelowa z powodu pojawienia się bardzo dużych błędów. Zatem wynik pomiarów absorbcji obu filtrów został podany na wykresie, w zależności od skali spektroskopu z zaznaczonymi punktami o wyznaczonej długości fali.

Jeśli chodzi o drugą część pomiarów wykonaną przy pomocy spektrofotometru Spekol to dyskusja błędów jest bezcelowa. Ponieważ nie mam do dyspozycji wzorców absorbcji.

WNIOSKI:

Spektroskop jest przyrządem bardzo niedokładnym i opierającym się na subiektywnej ocenie obserwatora. Zatem bardziej nadaje się do obserwacji spektr widm niż do pomiarów konkretnych wartości. Filtr zielony przepuszcza około 75% światła białego, zaś filtr czerwony 25%. Oba filtry charakteryzują się mała selektywnością. Spektrofotometr Spekol pozwala z duża dokładnością określać przepuszczalność dla danej długości fali.

Przedziały przepuszczalności, dla filtrów zielonego i czerwonego, wzajemnie się uzupełniają. Natężenie światła przepuszczanego przez filtr zielony jest mniejsze niż w przypadku filtru czerwonego. Badania widma światła gwiazd przyczyniły się do powstania teorii wielkiego wybuchu. Ponieważ stwierdzono dzięki nim stałe oddalanie się ich od układu słonecznego. Dzięki znajomości własności absorbcji i przepuszczalności danego materiału jesteśmy w stanie wytwarzać produkty filtrujące szkodliwe promieniowanie np.: kremy do opalania z filtrem UV lub filtry na monitory komputerowe.

---