Politechnika

Częstochowska

Katedra Fizyki

ĆWICZENIE NR 19

TEMAT: Badanie widm optycznych przy pomocy

spektroskopu.

Wydz. Elektryczny

Grupa dziekańska III

Skład grupy:

Jasztal Mariusz

Osiecki Robert

I.WPROWADZENIE TEORETYCZNE.

1.Przegląd widm fal elektromagnetycznych. Położenie fal świetlnych w tym widmie.

Fale elektromagnetyczne mogą być wytwarzane w sposób naturalny lub sztuczny. Mogą się różnić długością fali, a więc i częstotliwością, natomiast wspólną ich cechą jest ta sama wartość prędkości rozchodzenia się w próżni. Gdy fale elektromagnetyczne rozchodzą się w jakimś ośrodku, wtedy na ogół prędkość rozchodzenia się fal będzie różna dla fal o różnych długościach (dyspersja).

Pojawiają się więc różnice w rozchodzeniu fal. Różnice między falami elektromagnetycznymi o różnych częstotliwościach uwydatniają się szczególnie wyraźnie w wytwarzaniu i wykrywaniu promieniowania elektromagnetycznego. Stąd właśnie pochodzi idea podziału fal na szereg zakresów. Kryterium podziału stanowią właściwości promieniowania, a także sposoby jego wykrywania i detekcji. Liczby określające zakres są w większości przybliżone, jeśli już jednak podaje się jakieś długości fal to zawsze w próżni. Widmo fal elektromagnetycznych nie jest ograniczone ani z dołu ani z góry, a poszczególne zakresy nachodzą na siebie.

Fale o częstotliwości najmniejszej nazywa się - falami radiowymi - ich zakres to ok. 30 cm, dzielą się na fale długie, średnie, krótkie oraz ultrakrótkie.

Fale elektromagnetyczne których zakres rozciąga się między 1mm - 30 cm to fale zwane mikrofalami.

Z mikrofalami graniczy zakres fal podczerwonych, które z kolei ciągną się do fal świetlnych, czyli takie które jest rejestrowane przez oko ludzkie (0.4-0.7 m.)

Najkrótsze fale świetlne - promieniowanie fioletowe, graniczą z tak zwanym nadfioletem którego dolną granicę stanowią fale o długości ok. 10nm.

Fale o długościach mniejszych od nadfioletu nazwane były falami X. Obecnie nazywa się je falami Roentgena, a zakres ich promieniowania jest między 10 nm do ok. kilku tysięcznych nanometra. Zakres ten graniczy z promieniowaniem gamma γ. Fale świetlne mają właściwości oddziaływania na oko ludzkie, przy czym dł. fali decyduje o barwie światła. W zależności od długości fali widmo światła ma 5 obszarów barwnych. Fale świetlne zawarte są w zakresie dł. fal od 0,36μm do 0,78μm

2.Zjawisko dyspersji światła. Rozszczepienie światła w pryzmacie.

Istota zjawiska DYSPERSJI - polega na tym że wchodzące w skład wiązki światła promienie o różnej dł. fali, a więc o różnych barwach , odchylają się w pryzmacie niejednakowo i wychodzą z niego jako rozdzielone promienie różnych barw. Padając na ekran tworzą barwną wstęgę świetlną, zwaną widmem światła białego. Pryzmat szklany rozszczepia światło białe dając widmo. Światło o barwie czerwonej załamuje się pod mniejszym kątem, a fioletowe pod większym.

Pryzmatem nazywamy każde ciało przezroczyste, ograniczone dwoma płaszczyznami przecinającymi się wzdłuż prostej zwanej krawędzią pryzmatu. Podwójne załamanie promienia powoduje jego odchylenie od kierunku pierwotnego o kąt δ, zwany kątem odchylenia pryzmatu (rys).

3.Rodzaje widm optycznych. Mechanizm ich powstawania i metody otrzymywania.

Wszystkie ciała pobudzone do świecenia wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub w podczerwieni i nadfiolecie oprócz widm emisyjnych znamy jeszcze widma absorpcyjne. Widma takie obserwujemy , gdy na drodze światła znajdzie się ciało np. gaz, ciecz, które pochłania promieniowanie elektromagnetyczne o określonych długościach fali. A dokładniej dzieje się to na zasadzie pochłaniania przez substancję fal o długości odpowiadającej stanowi energetycznemu atomu wywołującego emisję fali o tej samej długości. Wówczas z widma źródła światła zostają wycięte charakterystyczne linie lub całe pasma absorpcyjne. Po osiągnięciu stanu emisyjnego substancja rozprasz światło we wszystkich kierunkach.

Widma emisyjne dzielimy na:

1. Widma liniowe zwane też seryjnymi, wysłane przez nie oddziałujące pojedyncze atomy

danego pierwiastka, znajdującego się w stanie gazowym. Układają się one w

charakterystyczne serie, które można wyodrębnić w poszczególnych przeplatających się

liniach widmowych.

2. Widma pasmowe, charakteryzują na przykład cząsteczki związków chemicznych, czyli atomy oddziałujących ze sobą, a nie pojedyncze atomy.

3. Widma ciągłe obejmujące wszystkie barwy światła od czerwieni do fioletu charakteryzują rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod bardzo dużym ciśnieniem.

Najprostsze serie widmowe ma wodór w stanie rozrzedzonego gazu, dla innych pierwiastków zaobserwowano również serie widmowe w zakresie widzialnym, jak i w nadfiolecie i podczerwieni.

Serie widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego mają strukturę nieco odmienną od widm optycznych.

Na badaniu widma oparta jest fizykochemiczna metoda określania składu chemicznego substancji. Widmo jest odzwierciedleniem struktury atomów i cząstek, gdyż widmo każdego pierwiastka lub związku chemicznego występuje zawsze w takim samym układzie linii i pasm, ułożonych w tej samej kolejności.

4.Przyrządy do badań widm.

Wysyłanie, czyli emisja światła przez ciała świecące jest wynikiem przemian energetycznych zachodzących w atomach i cząsteczkach. Do badania widm można wykożystać zjawisko dyfrakcji - załamania fali na przeszkodzie (siatka dyfrakcyjna).Jednak przyrządem najczęściej stosowanym jest spektroskop pryzmatyczny, którego zasadniczym elementem jest pryzmat.

5.Istota, zastosowanie, czułość i dokładność analizy spektralnej.

Istotą analizy spektralnej jest obserwacja i badanie widm. Mamy tu do czynienia z widmami absorpcyjnymi i fluoroscencyjnymi.

Z widmami emisyjnymi mamy do czynienia obserwując bezpośrednio ciała świecące. Pobudzenie świecenia może być temperaturowe - ogrzewanie ciała do wysokiej temperatury. Ogrzane ciała stałe i ciecze wysyłają światło o widmie ciągłym, które obserwujemy jako nieprzerwaną smugę zawierającą barwy od czerwieni do fioletu. Widmo to otrzymujemy umieszczając przed szczeliną spektroskopu małą żarówkę matową. Zarówno analiza widma absorpcji i fluorescencji stanowią bardzo czułą metodę badań. Daje się w ten wykryć ilość substancji rzędu 10 -8 mg w 1 cm 2. Badanie tych widm to otwarta droga do badania gwiazd wg typów widmowych, grupujące gwiazdy wysyłające promieniowanie o zbliżonym wyglądzie widma. Typy widmowe gwiazd oznaczone literami O,A,B,F,G,K,M., różnią się również rozkładem natężenia promieniowania w widmie, a temperatura ich malej od O do M. Słońce należy do typu widmowego G.

II. Opracowanie wyników, tabele pomiarowe, wykresy.

1.Tabele pomiarowe:

a) KRZYWA DYSPERSJI

nazwa gazu	barwa linii widma	położenie linii na skali X	natężenie linii	dł. fali odczytana z tablic
hel	ciemno-czerwona	1,0	słabo widoczna	706,5
hel	czerwona	2,1	dobrze widoczna	667,8
	żółta	5,5	dobrze widoczna	587,6
hel	zielona	11,3	dobrze widoczna	504,8
hel	zielono-niebieska	12,3	słabo widoczna	492,2
hel	niebieska	14,5	średnio widoczna	471,3
hel	indygo	16,3	b. słabo widoczna	447,1
hel	fioletowa	17,7	dobrze widoczna	439,0

b) WIDMA EMISYJNE

nr rurki z gazem	barwa linii widmowej	położenie linii na skali X	natężenie linii	długość fali odczytywana z wykresu	nazwa gazu wypełniającego rurkę
1	ciemno-czerwona	0,9 1,1 1,7 2,3 2,4	średnie mocne	674	neon
1	czerwona	2,6 3,1 3,3 3,6 3,8	silne	620	neon
1	pomarańczowa	4,1 4,4 4,5 4,7	silne słabe	598	neon
1	żółta	5,3 5,5	silne	585	neon
1	żółto-zielona	6 6,5	słabe	571	neon
1	zielona	8,5	słabe	539	neon
1	zielono-niebieska	10,3 10,7 11,3	słabe	522	neon
1	fioletowa	15,8	słabe	466	neon

c) WIDMA ABSORPCYJNE

nazwa substancji absorbują cej	granice pasma na skali dolna x1		granice pasma na skali dolna x2	granice pasma w dł. fal dolna x1	granice pasma w dł. fal dolna x2	barwa pasma pochłoniętego	stopień osłabienia (absorpcji)
CUSO4		0	2,8	706,5	626	ciemno- czerwony	mocny
CUSO4		2,8	4,5	626	594	ciemno- czerwony, czerwony	średni
CUSO4		4,5	9	594	540	czerwony, pomarańczowy, żółty, zielono-żółty	średni
CUSO4		9	11	540	518	zielony, zielono-niebieski	średni
CUSO4		11	16	518	472	zielono-niebieski, niebieski	średni
CUSO4		16	20	472	439	fioletowy, ciemno-fioletowy	silne
CHLOROFIL		0	1,5	706,5	662	ciemno-czerwony	bardzo silny
CHLOROFIL		1,5	3,5	662	616	ciemno-czerwony, czerwony	słaby
CHLOROFIL		3,5	7	616	564	czerwony, pomarańczowy, żółty, żółto-zielony	słaby
CHLOROFIL		7	10	564	528	zielony, zielono-niebieski	średni
CHLOROFIL		10	14,5	528	484	niebieski, niebiesko-fioletowy	mocny
CHLOROFIL		14,5	20	484	439	fioletowy, ciemno-fioletowy	silny
EOZYNA		0	4,5	706,5	594	ciemno-czerwony, czerwony, pomarańczowy	bardzo silny
EOZYNA		4,5	5	594	586	pomarańczowy, jasno-pomarańczowy, żółty, żółto-zielony	średni
EOZYNA		5	20	586	439	zielony, zielono-niebieski, niebieski, fioletowy, ciemno-fioletowy	bardzo silny

III. Wnioski i błędy pomiarowe.

• pryzmat powoduje rozszczepienie wiązki światła białego

• Do narysowania krzywej dyspersji posłużyło mi widmo emisyjne HELU (jest ono wyraźne i posiada osiem charakterystycznych linii).

Na osi OX przyjąłem podziałkę odpowiadającą podziałce spektroskopu czyli 10 mm na OX odpowiada 1 jednostce na podziałce spektroskopu. Błąd bezwzgłędny podziałki spektroskopu wynosi ⁺-0,1 jednostki co odpowiada błędowi bezwzględnemu na osi OX ⁺_-1 mm.

Na osi OY określone są długości fal w zakresie od 400 nm do 750 nm gdzie 1mm odpowiada 4nm długości fali. Błąd bezwzględny wynosi ⁺- 4nm.

• krzywa dyspersji wykazuje, że jednakowym odległością linii widmowych na skali odpowiadają w różnych zakresach widma różne przyrosty długości fali.

• najsilniej odchyla się promień fioletowy, a najsłabiej czerwony

• następuje zagęszczenie linii części widma w obszarze czerwieni i rozsunięcie w obszarze widma niebieskiego i fioletowego

• Na podstawie otrzymanej krzywej dyspersji i położenia poszczególnych linii widma emisyjnego badanej substancji wyznaczyłem przybliżone długości fal. Biorąc pod uwage natężenia linii przeanalizowałem widma emisyjne gazów zawarte w tabeli i wyznaczyłem NEON jako gaz wypełniający rurkę wyładowczą Pluckera.

• Badając widma absorbcyjne trzech cieczy (CUSO4, Chlorofilu, Eozyny) otrzymałem charakterystyczne dla cieczy widma pasmowe występujące jako smugi na widmie światła białego.

Z pomiarów wynika iż, Eozyna pochłania fale od 555 nm i krótsze (niebieski i fioletowy). CUSO4 pochłania fale dłuższe od 607 nm (czerwony i ciemno-czerwony). Chlorofil pochłania trzy pasma. W dużym stopniu pochłaniane są pasma ciemno-czerwone (do 700 nm), czerwone (676 - 646 nm) i fioletowe (krótsze od 450 nm). Pasmo czwarte czerwone (700 - 676 nm) jest średnio osłabione.

---