Wydział AEiI , kierunek AiR

Ćwiczenie laboratoryjne z fizyki:

Analiza widmowa.

Grupa III , sekcja III

Będkowski Jaromir

Jakubowski Marek

Morawski Rafał

Gliwice , 16.05.1997

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Analiza widmowa , czyli określanie jakościowe i ilościowe składu chemicznego ciał na podstawie widm ich promieniowania opiera się na pomiarze długości fali (korzystając z faktu , że każdy pierwiastek ma właściwe tylko sobie widmo) . Jest to szeroko stosowana metoda wykonywania szybkich seryjnych analiz , mająca na celu przede wszystkim wykrywanie pierwiastków śladowych . Na podstawie pomiarów natężenia i długości fali można określić procentową zawartość poszczególnych pierwiastków w danej substancji .

Widmem optycznym ciała nazywamy rozkład natężenia świetlnego promieniowania elektromagnetycznego w zależności od długości fali . Widmo optyczne otrzymuje się rozkładając wielobarwną wiązkę światła za pomocą spektroskopu na wiązki jednobarwne , którym odpowiadają określone częstotliwości fal .

Wszystkie ciała pobudzane do świecenia wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub podczerwieni i nadfiolecie . Widma takie nazywamy emisyjnymi . Oprócz widm emisyjnych znamy jeszcze tzw. widma absorpcyjne. Widma takie obserwujemy , gdy na drodze światła znajdzie się ciało , np. gaz , ciecz , które pochłania promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal λ . Wówczas z ciągłego widma źródła światła zostają wycięte charakterystyczne linie (lub całe pasma) absorpcyjne. Związek pomiędzy widmem emisyjnym i absorpcyjnym jest uwarunkowany samą budową atomów lub cząsteczek danej substancji. Atom (a uogólniając i cząsteczka) może przechodzić do wyższych stanów energetycznych pochłaniając foton o energii dopasowanej do dozwolonych przejść energetycznych w tym atomie (lub cząsteczce). Następnie przechodząc na niższy poziom energetyczny emituje foton (lub kilka fotonów jeśli stan podstawowy osiąga przez kolejne przechodzenie przez kilka coraz niższych poziomów energetycznych). Zgodnie z zasadą Kirchhoffa linie absorpcyjne zajmują w widmie to samo miejsce , co odpowiadające im linie emisyjne danej substancji .

Widma emisyjne możemy podzielić na :

Widma liniowe zwane też seryjnymi , wysyłane są przez pojedyncze atomy danego

1. pierwiastka w stanie gazowym. Układają się one w charakterystyczne serie , które można

1. wyodrębnić w poszczególnych przeplatających się liniach widmowych .

Widma pasmowe , charakteryzujące cząsteczki związków chemicznych , a nie poszczególne atomy. Widma pasmowe rozszczepione przez przyrządy o szczególnie dużej zdolności rozdzielczej rozpadają się na dużą ilość bardzo bliskich linii widmowych , ułożonych jednak wedle innych praw niż linie w atomowych widmach liniowych .

Widma ciągłe , obejmujące wszystkie barwy światła od czerwieni do fioletu charakteryzują

rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod dużym ciśnieniem . Rozkład natężeń zależy

od rodzaju ciała i jego temperatury . Im temperatura jest wyższa tym bardziej maksimum

natężenia w widmie przesuwa się w stronę fal krótkich .

Podobnym podziałem można również objąć widma absorpcyjne .

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Ćwiczenie polegało na badaniu widma optycznego trzech różnych substancji .

Pomiary polegały na wyznaczeniu położenia kolejnych linii widmowych i ocenie ich intensywności (w skali od 1 do 5 - bardzo jasny , jasny , średni , słaby , bardzo słaby) .

Celem ćwiczenia jest zidentyfikowanie dwóch nieznanych substancji na podstawie wykonanej uprzednio analizy widmowej rtęci .

OPRACOWANIE WYNIKÓW

Aby narysować krzywą dyspersji spektografu wykonaliśmy analizę widmową rtęci.

Barwa linii widmowej	Intensywność względna	Położenie linii na skali	Długość fali [nm]
fiolet	1	4,23	412,2
fiolet	2	4,21	421,7
fiolet	5	4,19
zielony	3	3,95
zielony	1	2,78	497,4
zielony	2	2,35
zielony	5	2,23	546,1
żółty	1	2,02	577,0
żółty	5	1,93
żółty	1	1,86	579,1
czerwony	1	1,69	641,9
czerwony	2	1,66
czerwony	3	1,58

Długości fali odczytaliśmy z tabeli i przyporządkowaliśmy do odpowiednich wartości skali (były one dobierane tak aby uzyskać gładką krzywą dyspersji o oczekiwanym kształcie). Jak widać pozostaje duży „nadmiar” widm. Jest to spowodowane tym, że obserwowaliśmy także odbicia.

Następnie przy pomocy krzywej dyspersji odczytujemy długości fal widmowych nieznanego pierwiastka.

Barwa linii widmowej	Intensywność względna	Położenie linii na skali	Długość fali [nm]
niebieski	2	3,05
zielony	2	2,76
zielony	1	2,70
zielony	3	2,39
zielony	4	2,30
czerwony	1	2,01
pomarańcz	1	1,91
czerwony	2	1,90
pomarańcz	5	1,86
czerwony	4	1,79
czerwony	3	1,72
czerwony	5	1,64
czerwony	1	1,40

Takie widmo emisyjne odpowiada widmu neonu. Sporządzamy jeszcze jedną tabelę:

Barwa linii widmowej	Intensywność względna	Położenie linii na skali	Długość fali [nm]
zielony	1	3,85
niebieski	1	3,32
zielony	2	2,79
zielony	1	2,75
pomarańcz	3	1,84

Widać, że część widm pokrywa się. Reszta to prawdopodobnie fałszywe odbicia, odblaski, których tak wiele było przy badaniu rtęci.

ANALIZA BŁĘDÓW

Pomiar był obarczony następującymi błędami:

• błąd przy ustawianiu widma na brzegu poprzeczki i odczycie skali (0,5 jednostki). Są to błędy na tyle małe, że możemy je pominąć.

• obicia i odblaski pojawiające się jako fałszywe widma. Zauważyliśmy, że część widm (dosyć duża) była bardzo słaba lub/i miała dużą szerokość (były „rozmyte”) co może wskazywać na to, że nie są to prawdziwe prążki emisyjne

• błąd przy wykreślaniu krzywej dyspersji. Wartości do tego wykresu były dobierane tak aby krzywa była możliwie gładka i „regularna”. Nie wyklucza to jednak, że mogliśmy popełnić błąd przy dobieraniu wartości.

Opracowanie wyników

Po odczytaniu z wykresu wartości długości fali możemy stwierdzić, że pierwsza badana substancja to hel, druga to sód a trzecia neon.

---