POLITECHNIKA ŚLĄSKA
Wydział Górnictwa i Geologii

ANALIZA WIDMOWA.

Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki.

Grupa , sekcja

1.

2.

Gliwice dnia 26 X 2007r.

1. Wprowadzenie.

Analizę widmową możemy zdefiniować jako określanie ilościowe i jakościowe składu chemicznego ciał na podstawie widm ich promieniowania (widzialnego, nadfioletowego lub podczerwonego). Rozszczepienie widma na poszczególne linie widmowe następuje w pryzmacie, dzięki zjawisku dyspersji. Zjawisko to polega na zmianie współczynnika załamania w zależności od długości fali (im mniejsza długość fali, tym większy kąt załamania).

Ze względu na pochodzenie widma dzielimy na:

• emisyjne

• absorpcyjne

• luminescencyjne

Ze względu na powstały obraz widma dzielimy na:

• liniowe

• pasmowe

• ciągłe

Emisyjne widmo liniowe dają pobudzone do świecenia gazy i pary metali. Powstawanie widma związane jest ze wzbudzaniem elektronów pojedynczych atomów. Wzbudzony elektron (termicznie, elektrycznie) przechodzi ze stanu stacjonarnego do stanu wyższego, a wracając wypromieniowuje energię w postaci kwantu (fotonu):

Długości poszczególnych linii widmowych są charakterystyczne dla rodzaju substancji. Czułość takiej analizy jest wysoka, gdyż nawet śladowe domieszki mogą być zauważone. Z natężenia linii można wnioskować o ilości danego pierwiastka w związku chemicznym. Linie widmowe powinny mieć szerokość zerową, jednak z powodu takich zjawisk jak efekt Dopplera, oddziaływania międzycząsteczkowego oraz skończonego czasu życia elektronu podczas wzbudzenia ich szerokość jest większa. Charakterystyczne są serie widmowe dla wodoru. W zakresie światła widzialnego długość fali określa wzór Balmera:

Wzór ten można otrzymać bezpośrednio ze wzoru Rydberga:

Widmo emitowane przez cząsteczki ma postać pasm złożonych z poszczególnych linii. W każdym paśmie przy brzegach linie tworzą tzw. głowicę pasma. W przypadku pobudzenia do świecenia ciał stałych, cieczy lub gazów pod wysokim ciśnieniem otrzymamy ciągłe widmo emisyjne. Jeśli na drodze światła o ciągłym rozkładzie widmowym ustawimy warstwę gazu lub pary o temperaturze niższej niż temperatura źródła, to na tle widma ciągłego zaobserwuje się czarne linie odpowiadające liniom widma emisyjnego. Zgodnie z zasadą Kirchhoffa, linie absorpcyjne zajmują to samo miejsce, co odpowiadające im linie emisyjne danej substancji. Najbardziej znanym widmem absorpcyjnym jest widmo światła słonecznego.

Do analizy widmowej stosuje się spektrografy pryzmatyczne, siatkowe i interferencyjne. Działanie spektrografu pryzmatycznego oparte jest na zjawisku dyspersji, polegającym na zależności prędkości światła od długości fali. Dyspersję kątową określa wzór:

Dyspersja kątowa określa rozbieżność dwóch wiązek różniących się długością fal o jednostkę.

Do obserwacji widma służą spektroskopy. Wymagają każdorazowego cechowania. Ocena fotometryczna linii widmowych jest czasochłonna i zwykle poprzestajemy na określeniu położeń linii widmowych.

2. Przebieg ćwiczenia.

1. Włączamy zasilacz spektrofotometru oraz lampę rtęciową, ustawiając ją na osi przyrządu.

2. Dokonujemy regulacji spektrofotometru (ostrość, intensywność, zbieżność wiązek).

3. Kręcąc pokrętłem sterującym z prawej strony przyrządu znajdujemy kolejne linie widmowe i notujemy ich położenie w tabeli. W celu jednakowych pomiarów linie ustawiamy na brzegu (z lewej lub prawej strony) wyróżnionej ramki pola widzenia.

4. Podobne pomiary wykonujemy z rurkami Pluckera wypełnionymi badanymi gazami.

5. Rysujemy krzywą dyspersji.

6. Z wykresu określamy długość linii widmowych badanego gazu i za pomocą tablic linii spektralnych identyfikujemy go.

3. Opracowanie wyników.

Substancja: RTĘĆ.

SKALA	BARWA	INTENSYWNOŚĆ	DŁUGOŚĆ FALI [nm]
						TABLICOWA	Z WYKRESU
75	Czerwona	Słaba	641,9	641,9
104	Żółta	Jasna	579,0	579,0
115	Zielona	Bardzo jasna	546,1	546,1
144	Błękit cyjanowy	Słaba	497,4	497,4
180	Fioletowa	Jasna	435,7	435,7

Substancja: NEON.

SKALA	BARWA	INTENSYWNOŚĆ	DŁUGOŚĆ FALI [nm]
						TABLICOWA	Z WYKRESU
84	Czerwona	Bardzo jasna	640,2	640,2
90	Pomarańczowa	Jasna	626,6	626,6
96	Pomarańczowo żółta	Bardzo jasna	597,6	597,6
99	Żółta	Bardzo jasna	576,4	576,4
115	Zielona	Jasna	534,1	534,1
153	Fioletowa	Słaba	363,4	363,4

Substancja: KRYPTON.

SKALA	BARWA	INTENSYWNOŚĆ	TABLICOWA DŁUGOŚĆ FALI [nm]
82	Czerwona	Jasna	642,0
100	Pomarańczowo żółta	Jasna	587,1
110	Zielona	Jasna	557,0

Substancja: WODÓR.

SKALA	BARWA	INTENSYWNOŚĆ	TABLICOWA DŁUGOŚĆ FALI [nm]
82	Czerwona	Jasna	687,0
143	Niebieska	Jasna	486,1
181	Fioletowa	Jasna	434,0

Substancja: NIEZNANA.

SKALA	BARWA	INTENSYWNOŚĆ	DŁUGOŚĆ FALI [nm] Z WYKRESU
81	Czerwona	Słaba	655
101	Żółta	Bardzo jasna	583
135	Zielona	Jasna	510
153	Niebieska	Słaba	463
170	Fioletowa	Jasna	424

4. Wyniki ćwiczenia.

Na podstawie wykresu stwierdziłyśmy, że bada substancja to HEL.

5. Wnioski.

Celem wyżej przedstawionego przez nas ćwiczenia, było przeprowadzenie analizy widmowej pięciu gazów, jakimi były: rtęć, neon, krypton, wodór oraz gaz nieznany, który miałyśmy zidentyfikować.

Po dokonaniu przez nas pomiarów barw, ich intensywności oraz odczytu na skali poszczególnych linii widmowych, sporządziłyśmy dla dwóch znanych gazów (rtęci oraz neonu) krzywą dyspersji, która posłużyła nam do określenia długości linii widmowych nieznanej substancji, a co za tym idzie - zidentyfikowania jej. Po tak przeprowadzonej analizie doszłyśmy do wniosku, iż piątą badaną przez nas substancją był hel, co postaramy się teraz udowodnić.

Jak wynika z tabeli przedstawionej poniżej, w której zestawiłyśmy porównanie naszych wartości długości linii widmowych odczytanych z wykresu krzywej dyspersji z wartościami z tablic linii spektralnych dla helu, łatwo możemy zauważyć, że są one do siebie zbliżone w pewnych zakresach. W porównaniu z niektórymi wartościami nasze wyniki różnią się trochę. Jest to związane z błędami jakich dokonaliśmy. Przede wszystkim do błędów tych możemy zaliczyć źle odczytaną barwę, intensywność linii widmowych, jak również źle dobrane wartości tablicowe długości linii widmowych dla rtęci i neonu oraz wartości wykresowych dla helu. Doskonale widać to zarówno na wykresie, jak i w tabelach. Do błędów przyczyniła się również niedokładność samego spektrofometru oraz panujące w laboratorium warunki. Pomimo tego wynik naszej analizy wydaje się nam poprawny oraz zgodny z rzeczywistością.

Poniżej przedstawiamy tabelę linii spektralnych helu, którą kierowałyśmy się przy odczytywaniu długości linii widmowych naszej badanej substancji oraz jej identyfikacji.

Substancja: HEL.

SKALA	BARWA	INTENSYWNOŚĆ	DŁUGOŚĆ FALI [nm] Z WYKRESU	DŁUGOŚĆ FALI TABLICOWA
81	Czerwona	Słaba	655	656,0
101	Żółta	Bardzo jasna	583	587,6
135	Zielona	Jasna	510	504,8
153	Niebieska	Słaba	463	468,6
170	Fioletowa	Jasna	424	439,0

1

---