Badanie widma absorbcji i fluorescencji.

1) Cel ćwiczenia:

Ćwiczenia ma na celu zapoznanie się ze zjawiskami absorbcji i fluorescencji, zbadanie optycznych widm barwników organicznych i na tej podstawie określenie granic pasm emisyjnych i absorbcyjnych. Korzystjąc z wykreślonej krzywej dyspersji należy również sprawdzić zodność reguły Stokes'a.

2) Podstawy fizyczne:

Atomy i cząsteczki mogą pochłaniać (absorbować) i wysyłać (emitować) kwanty promieniowania elektromagnetycznego. Dzięki przestrzennemu rozdzieleniu światła niemonochromatycznego na wiązki monochromatyczne lub obraz jaki tworzą te wiązki otrzymujemy widmo optyczne. Wyróżniamy podstawowe widma optyczne:

1. ciągłe - Reprezentowane przez fale elektromagnetyczne obejmujące zakres od nadfioletu poprzez widmo widzialne do podczerwieni. Ten rodzaj widma emitują ciała stałe i ciecze.

2. liniowe - Złożone ze ściśle określonych wyodrębnionych długości fal. Widmo liniowe powstaje w przypadku promieniowania emitowanego przez cząsteczki gazów w stanie wolnym.

Każdy pierwiastek charakteryzuje się specyficznym i niepowtarzalnym widmem.

Analizując promieniowanie, które przeszło przez substancję absorbującą otrzymujemy widmo absorpcyjne. Absorbcja jest to pochłanianie promieniowania (np. światła, promieniowania korpuskularnego) przez ośrodek przez który promieniowanie to przechodzi. Zjawisko to polega na zamianie całej lub części energii na inną (np. wzbudzenie atomów). Widma absorbcyjne są to widma powstałe w wyniku pochłonięcia przez dane ciało dokładnie określonych długości fal.

W wyniku absorbcji kwantu promieniowania przez elektron uwięziony w atomie następuje przejście tego elektronu na wyższy poziom energetyczny. Stan taki (wzbudzony) nie jest stanem równowagi w wyniku czego następuje powrót elektronu do stanu podstawowego. Przejście elektronu z wyższego na niższy poziom energetyczny związane jest z emisją energii. Może ona być przekazywana do otoczenia lub wypromieniowywana w postaci fotonu. Przejście z emisją fotonu jest nazywane flurescencją. Jeżeli emitowane promieniowanie ma jednakową częstość jak promieniowane absorbowane to zjawisko to nazywa się fluorescencją rezonansową. często jednak atomy (lub cząsteczki) powracają do stanu podstawowego poprzez stany pośrednie (rys.1). Wówczas promieniowanie emitowane ma częstość niższą niż promieniowanie wzbudzające. Zjawisko to tłumaczy odkryta w 1852r. przez Sir. W. Stokesa reguła empiryczna stwierdzająca, że w widmie fluorescencji winny jedynie występować długości fal większe od długości fali swiatła wzbudzającego (pasmo fluorescencji jest przesunięte w kierunku dłuższych fal w porównaniu z pasmem absorbcji).

Rys.1Krzywe potencjalne cząsteczki dwuatomowej w stanie podstawowym i wzbudzonym.

3) Opis ćwiczenia:

Analizując widma korzystaliśmy ze spektrometru pryzmatycznego. Badaliśmy widma emisyjne: neonu, światła białego. W wyniku przeprowadzonych pomiarów kąta odchylenia lini widma neonu otrzymaliśmy krzywą dyspersji: . Dyspersja jest to zjawisko polegające na zróżnicowaniu prędkości fali elektromagnetycznej od jej częstotliwości i gęstości ośrodka.

4) Opracowanie wyników:

Zależność kąta odchylenia
od długości fali
dla widma neonu (wartości odczytane):

Kolor	Długość [nm]	Noniusz A [ ^o]	Noniusz B [ ^o]
czerwony	640,0	68^o54'	248^o50'
pomarańczowy	607,4	69^o08	249^o08'
pomarańczowy	603,0	69^o12'	249^o14'
pomarańczowo-żółty	585,2	69^o20'	249^o22'
zielony	540,0	69^o38'	249^o38'
zielony	534,1	69^o42'	249^o44'
niebiesko-zielony	488,5	70^o30'	250^o30'
fioletowy	433,4	71^o46'	249^o48'

Na końcu ćwiczenia odczytaliśmy wartości na ubu noniuszach dla położenia na wprost. Wyniosły one: noniusz A:14^o42', noniusz B: 194^o44'.

W celu wyznaczenia właściwej wartości skręcenia promieni w zależności od długości fali od danych zgromadzonych w tabeli odjęliśmy wartości „na wprost”.

Kolor	Długość [nm]	Noniusz A [ ^o]	Noniusz B [ ^o]
czerwony	640,0	54^o12'	54^o06'
pomarańczowy	607,4	54^o26'	54^o24'
pomarańczowy	603,0	54^o30'	54^o30'
pomarańczowo-żółty	585,2	54^o38'	54^o38'
zielony	540,0	54^o56'	54^o54'
zielony	534,1	55^o00'	55^o00'
niebiesko-zielony	488,5	55^o48'	55^o46'
fioletowy	433,4	57^o04'	57^o04'

W drugiej części ćwiczenia badaliśmy widma absorbcyjne roztworów: Rodaminy 6-G i fluoresceiny. Odczytane na spektrometrze zakresy kątowe pasm absorbcji wynoszą:

Absorbcja

Roztwory	Noniusz	A	Noniusz	B
	Przedział	wartości	Przedział	wartości
Rodamina 6-G	69^o54'	70^o18'	249^o52'	250^o15'
Fluoresceina	70^o32'	do końca ^1)	250^o32'	do końca

¹⁾ oznaczenie do końca oznacza do końca widma widzialnego.

Odczytane na spektrometrze zakresy kątowe pasm flurescencji wynoszą:

Flurescencja

Roztwory	Noniusz	A	Noniusz	B
	Przedział	wartości	Przedział	wartości
Rodamina 6-G	69^o02'	69^o52'	249^o04'	249^o54'
Fluoresceina	69^o12'	70^o30'	249^o16'	250^o34'

Dokonując identycznej operacji jak w przypadku linii neonu otrzymaliśmy następujące faktyczne wartości kąta skręcenia:

Absorbcja

Roztwory	Noniusz	A	Noniusz	B
	Przedział	wartości	Przedział	wartości
Rodamina 6-G	55^o12'	55^o36'	55^o12'	55^o36'
Fluoresceina	55^o50'	do końca ^1)	55^o48'	do końca

Flurescencja

Roztwory	Noniusz	A	Noniusz	B
	Przedział	wartości	Przedział	wartości
Rodamina 6-G	54^o20'	55^o10'	54^o20'	54^o10'
Fluoresceina	55^o30'	55^o48'	54^o32'	55^o50'

Z wykresu wyznaczyliśmy długości fal dla granic poszczególnych pasm.

Roztwory	Absorbcja		Fluorescencja
	Przedział	wartości [nm]	Przedział	wartości [nm]
Rodamina 6-G	493±9	520±11	525±13	625±18
Fluoresceina	-	481±7	483±7	597±18

Wartości długości fal wyznaczających środki pasm absorbcyjnego i fluorescencyjnego.

Roztwory	Absorbcja	Fluorescencja
	[nm]	[nm]
Rodamina 6-G	508,5±10	575±16
Fluoresceina	≈455^2)	597±13

²⁾ Ze względu na raczej poglądową wartość nie ma sensu liczyć jej błędu.

5) Dyskusja błędów:

W ćwiczeniu uwzględniliśmy następujące błędy pomiarowe:

- niedokładność podziałki spektrometru
2'

- niedokładność określenia granic pasm spowodowana ich nieostrością

- błąd wynikający z szerokości szczeliny spektrometru

Błąd pomiaru kąta skręcenia prążków widma noenu:

Δα=dokładność spektrometru+1/2 szerokości szczeliny kolimatora=08'

Błąd wyznaczenia granicy pasm wyznaczyliśmy wzrokowo i oceniliśmy na:

- dla absorbcji Δα=8'

- dla fluorescencji Δα=10'.

Błedy wyznaczenia długości fal promieni świetlnych wyznaczyliśmy metodą graficzną. Dla każdego punktu na wykresie odmierzyliśmy 8' w górę i w dół. Zrzutowaliśmy otrzymane odcinki na krzywą dyspersji a następnie na oś λ i otrzymaliśmy odcinek, który po podzieleniu na dwa daje nam poszukiwany błąd.

Błąd wyznaczenia środka pasma wyznaczyliśmy z wzoru:

Wnioski:

Na podstwaie sporządzonego wykresu krzywej dyspersji metodą graficzną wyznaczyliśmy wartości długości fal świetlnych w jakich zawierają się pasma absorbowane i emitowane przez dwa rodzaje roztworów. Na podstawie tych danych stwierdzamy, że długości fal emitowanych są większe od pochłanianych, czyli promieniowanie emitowane ma mniejszą energię niż pochłaniane. Widmo wypromieniowane jest więc przesunięte w kierunku fal dłuższych, co jest zgodne z regułą Stokesa. Wyniki naszego doświadczenia potwierdzają tę regułę.

4

Wydział Elektryczny Wtorek 11-14

Sprawozdanie z ćwiczenia C-6 Zespół 30

Sankowski Krzysztof, Szmurło Robert

---