WIEiK Grupa		Zespół nr	Data wykonania:
Nr ćwiczenia: 24	Wzorcowanie spektroskopu pryzmatycznego i analiza spektralna dostarczanych próbek gazów i ich widm	Ocena:	Podpis:

1.WPROWADZENIE

PODSTAWOWE PRAWA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ:

Prawo odbicia - kąt α pomiędzy wiązką światła padającego ,a powierzchnią prostopadłą do pow. granicznej /pomiędzy dwoma ośrodkami/ jest równy kątowi odbicia β (kątowi pomiędzy pow. prostopadłą do pow. granicznej ,a wiązką odbitą).

Prawo załamania:

gdzie: α - kąt pomiędzy wiązką padającą, a pow. prostopadłą do pow. granicznej

β - kąt pomiędzy wiązką załamaną, a pow. prostopadłą do pow. granicznej

n₂₁- względny wsp. załamania pomiędzy ośrodkami 1 i 2

v₁, v₂ - prędkości rozchodzenia się fali w ośrodkach 1 i 2

1

2

BUDOWA SPEKTROSKOPU

Zasadę konstrukcji tego przyrządu i bieg promieni w nim przedstawia rysunek na następnej stronie Składa się on zasadniczo z pryzmatu P oraz trzech rur, K, L, R zwróconych doń promieniście, umieszczonych w jednej płaszczyźnie. Rura K, zwana kolimatorem, ma z jednej strony wąską szczelinę S, przed którą umieszczamy źródło światła Z, a z drugiej strony soczewkę zbierającą. Szczelina kolimatora, równoległa do krawędzi łamiącej pryzmatu, powinna byli umieszczana w ognisku soczewki; wówczas rozbieżna ,wiązka światła wychodzącego ze szczeliny po załamaniu w soczewce wychodzi jako równoległa - jest to warunek konieczny dla uzyskania widma czystego i ostrego.

W pryzmacie poszczególne wiązki barwne, z których składa się wiązka światła białego, doznają różnych odchyleń i po wyjściu z pryzmatu jako wiązki równoległe padają na obiektyw O₁, lunety L. W płaszczyźnie ogniskowej obiektywu powstają barwne obrazy szczeliny, które stanowią widmo promieniowania wysyłanego z źródła Z. Widmo to możemy rozpatrywać przy pomocy soczewki O₂, stanowiącej okular lunety L. Aby można było przyporządkować liniom; czyli barwom widmowym określone położenie, spektroskop zaopatrzony jest w rurę R, która na jednym końcu ma skalę M, a na drugim soczewkę O₃. Skala M umieszczona jest w odległości ogniskowej soczewki 0₃,. Przy takim jej ustawieniu każdemu punktowi skali odpowiada inna wiązka równoległa promieni wychodzących z soczewki. Rurkę R ustawia się tak, że wiązki te ulegają odbiciu na ściance pryzmatu i wpadają do lunetki L razem z rozszczepionymi promieniami widma. Dzięki takiemu urządzeniu otrzymujemy badane widmo na tle skali, co pozwala ustalić położenie barwnych prążków.

ZASADA DZIAŁANIA PRYZMATU

Zasadniczym elementem spektroskopu jest pryzmat z sub­stancji przezroczystej, wykazującej zjawisko dyspersji, czyli rozszczepienia barwnego . Rozszczepienie to polega na zachowaniu różnej wartości współczynnika załamania światła w zależności od jego różnej częstości drgań. Do analizy obszaru widzialnego promieniowania stosuje się pryzmaty ze szkła o szczególnie silnej dyspersji. Dyspersję pojedynczego promienia światła białego przedstawia poniższy rys.

Przy przejściu przez powierzchnię I promień rozszczepia się na składowe promienie barwne dzięki temu, że współczynniki załamania dla różnych barw są różne. Jak wiemy, z barwą światła wiąże się odpowiednia częstość drgań. Najsilniej załamuje się promień fioletowy, o dużej częstości, najsłabiej - promień czerwony o małej częstości drgań.

Ścianka II pryzmatu rozszczepiającego światło nie wpływa na sam proces roz­szczepienia, jaki dokonał się na ściance I. Załamuje ona tylko jeszcze bardziej promienie składowe powstałe w wynika rozszczepienia. Wstęga barwna ab, jaka powstaje na ekranie w wyniku działania rozszczepiającego pryzmatu, nosi nazwę widma promieniowania wiązki padającej A.

ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA SPEKTROSKOPU

Jako zdolność rozdzielczą przyrządu spektralnego definiujemy wielkość charakteryzującą zdolność przyrządu spektralnego do wytwarzania rozróżnialnych linii widmowych. Zwykle określa się ją jako stosunek długości fali λ odpowiadającej danej linii widmowej, do najmniejszej różnicy długości fal Δλ odpowiadającej rozróżnialnym liniom widmowym leżącym w widmie w sąsiedztwie danej linii, czyli :

BADANIE WIDM I ICH RODZAJE

Widma emisyjne

Zjawisko emisji polega na wyemitowaniu kwantu promieniowania elektromagnetycznego w procesie przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego.

Z widmami emisyjnymi mamy do czynienia obserwując bez­pośrednio ciała świecące. Pobudzenie świecenia może być: temperaturowe - ogrza­nie ciała do wysokiej temperatury, np. przez umieszczenie go w płomieniu, lub elektryczne - wyładowania w gazach. Ogrzane ciała stałe i ciecze wysyłaj światło o widmie ciągłym, które obserwujemy jako nieprzerwaną smugę zawierającą barwy od czerwieni do fioletu. Widmo to otrzymujemy umieszczając przed szczeliną spektroskopu małą żarówkę, najlepiej matową.

Pobudzone do świecenia pary i gazy dają widmo nieciągłe, złożone z oddzielnych linii. Jest to tak zwane widmo liniowe. Widmo to charakteryzuje atomy pierwiastków, a nie cząsteczki. Każdy pierwiastek posiada swoje charakterystyczne widmo, złożone z linii rozmieszczonych według praw określonego typu. Linie te tworzą tzw. serie. Ta prawidłowość widm liniowych odkryta przez Kirchhofia i Bunsena podstawą analizy chemicznej, zwanej analizą widmową. omówione wyżej widma liniowe są to tzw. widma seryjne; wysyłają je gazy o cząsteczkach jednoatomowych. Odmienny typ widm liniowych dają gazy wieloatomowe­ które emitują tzw. widma pasmowe, składające się z szeregu linii, za­czynających się w pobliżu tzw. głowicy pasma

Metoda analizy widmowej jest bardzo czuła; pozwala ona wykryć ilości substancji 10^-7 mg.

W celu otrzymania widm liniowych umieszczamy przed szczeliną spektroskopu bądź to rurki z rozrzedzonymi gazami; tzw. rurki Geisslera, które pobudza się do świecenia za pomocą wysokiego napięcia, bądź to płomień palnika gazowego, do go wprowadzamy na druciku platynowym lub na kawałku azbestu związek chemiczny badanego pierwiastka.

Widma absorpcyjne.

Przy badaniu widm emisyjnych zniszczeniu ulega na ogół struktura chemiczna substancji świecącej. Można jednak analizę widmową prze­prowadzić bez zakłóceń tej struktury, mianowicie, na podstawie obserwacji tzw. pasma pochłaniania lub inaczej, widma absorpcyjnego (absorpcja - polega na przejściu atomu ze stanu podstawowego do wzbudzonego wskutek pochłonięcia kwantu energii - potrzebnej do przeniesienia elektronu na wyższy poziom energetyczny). Badaną substancję w po­staci płytki lub roztworu znajdującego się w naczyniu płaskorównoległym umie­szczamy przed szczeliną spektroskopu, na drodze wiązki światła białego, wysyłanego przez żarówkę. Okazuje się, że cząsteczki substancji przenikanej przez światło białe pochłaniaj w sposób selektywny pewne charaktery­styczne obszary widmowe, zwane pasmami absorpcji. Występują one jako ciemne smugi w różnych miejscach widma ciągłego

2. METODA POMIARU.

CHARAKTERYSTYKA SPEKTROSKOPU

Szerokość widma widzialnego, jak również położenie określonych linii widmowych na skali, zależy od właściwości dyspersyjnych materia­łu, z którego jest wykonany pryzmat. Cechowanie spektroskopu polega na przy­porządkowaniu danym podziałkom skali określonych długości fal. Dokonujemy tego używając światła substancji emitujących widmo liniowe o znanych długościach fal. Do tego celu używane są rurki jarzeniowe, wypełnione : wodorem, helem, neonem, parami rtęci, bądź innym gazem szlachetnym.

Daną rurkę umieszczamy przed szczeliną kolimatora w odle­głości 2-3 cm, ustalając jej pozycję tak, by oglądane przez lunetę widma miały jak największą jasność. Odczytujemy na skali położenie obserwowanych linii wid­mowych i otrzymane wartości zapisujemy w tabelce obserwacji - wraz z odczytanymi z tablic długościami fali odpowiadającymi danej linii widmowej.

Związek między długością fali i położeniem na skali poszczególnych linii widmowych przedstawiamy graficznie w postaci tzw. krzywej dyspersji. Sporządzamy ją przez odmierzenie na osi x położenia na skali, a na osi y - długości fali.

OBSERWACJA WIDM GAZÓW ZAWARTYCH W RURKACH GEISSLERA

Wykorzystując otrzymaną charakterystykę spektroskopu możemy określić długości fal odpowiadającym liniom widma emitowanego przez gazy zawarte w rurkach Geisslera. Na podstawie otrzymanych informacji należy zidentyfikować wypełniające rurki gazy.

3. WYNIKI POMIARÓW:

• CHARAKTERYSTYKA SPEKTROSKOPU - widmo emitowane przez pary rtęci

LP	Barwa linii	Intensywność	Poł. Wg. Skali	Długość fali (w nm) *)
1	czerwona	słaba	27,86	708,1
2	czerwona	silna	27,37	690,7
3	czerwona	średnia	26,86	671,6
4	czerwona	silna	25,29	623,4
5	pomarańczowa	silna	24,89	612,3
6	pomarańczowa	średnia	24,71	607,2
7	pomarańczowa	słaba	24,03	589,0
8	żółta	silna	23,57	579,0
9	żółta	silna	23,48	578,9
10	zielona	słaba	23,05	567,5
11	zielona	silna	21,89	546,0
12	zielona	słaba	21,44	535,4
13	zielona	słaba	19,42	504,5
14	zielona	słaba	19,27	502,5
15	zielona	średnia	18,72	499,1
16	niebieska	silna	18,37	491,6
17	fioletowa	silna	12,99	435,8
18	fioletowa	średnia	12,86	434,7
19	fioletowa	słaba	12,76	433,9
20	fioletowa	słaba	9,60	410,8
21	fioletowa	silna	9,09	407,7
22	fioletowa	silna	8,58	404,6

*) Długości fal odczytane z schematu laboratoryjnego

Otrzymane wyniki ilustruje załączona krzywa dyspersji

• Rurka nr 1

LP	Barwa linii	Intensywność	Poł. Wg. Skali	ODCZYTANA Długość fali (w nm)	WARTOŚĆ TABLICOWA
1	czerwona	silna	26,75	668	668
2	czerwona	średnia	26,32	654	brak danych
3	żółta	silna	23,93	588	588
4	zielona	słaba	21,92	546	brak danych
5	zielona	słaba	21,52	539	brak danych
6	zielona	średnia	19,38	505	505
7	zielona	silna	19,22	503	502
8	zielona	średnia	18,48	493	492
9	niebieska	średnia	17,95	486	brak danych
10	niebieska	średnia	16,75	472	471
11	fioletowa	średnia	14,30	448	447

Otrzymane wyniki (zilustrowane na zał. rysunku) wskazują, że w rurce nr 1 znajdował się hel.

• Rurka nr 2

LP	Barwa linii	Intensywność	Poł. Wg. Skali	ODCZYTANA Długość fali (w nm)	WARTOŚĆ TABLICOWA
1	czerwona	średnia	27,66	701	702
2	czerwona	średnia	27,39	691	693
3	czerwona	średnia	26,82	670	672
4	czerwona	średnia	26,71	667	668
5	czerwona	średnia	26,47	659	660
6	czerwona	średnia	26,29	653	653
7	czerwona	silna	26,20	650	651
8	czerwona	silna	25,88	640	640
9	czerwona	silna	25,81	638	638
10	czerwona	silna	25,63	633	633
11	czerwona	średnia	25,53	630	630
12	czerwona	średnia	25,41	626	627
13	pomarańczowa	średnia	25,24	621	622
14	pomarańczowa	średnia	25,04	616	616
15	pomarańczowa	silna	24,97	614	614
16	pomarańczowa	silna	24,88	612	613
17	pomarańczowa	słaba	24,54	603	603
18	żółta	słaba	24,33	597	597
19	żółta	średnia	24,19	594	594
20	żółta	słaba	24,04	590	590
21	żółta	średnia	23,94	588	588
22	żółta	silna	23,81	585	585
23	żółta	słaba	23,68	582	582
24	zielona	średnia	23,51	578	580
25	zielona	słaba	23,43	576	576
26	zielona	słaba	23,19	571	572
27	zielona	słaba	22,93	566	566
28	zielona	słaba	22,47	556	556
29	zielona	średnia	21,60	540	540
30	zielona	średnia	21,26	534	534
31	zielona	średnia	21,21	533	533
32	niebieska	słaba	19,85	512	514
33	niebieska	słaba	19,55	507	brak danych
34	niebieska	słaba	19,29	504	504

Otrzymane wyniki (zilustrowane na zał. rysunku) wskazują, że w rurce nr 2 znajdował się neon.

• Rurka nr 3

LP	Barwa linii	Intensywność	Poł. Wg. Skali	ODCZYTANA Długość fali (w nm)
1	czerwona	słaba	26,81	670
2	czerwona	słaba	26,77	669
3	czerwona	słaba	26,48	659
4	czerwona	średnia	26,34	654
5	czerwona	średnia	26,32	654
6	czerwona	średnia	26,21	650
7	czerwona	silna	25,87	640
8	czerwona	silna	25,81	638
9	czerwona	silna	25,64	633
10	czerwona	średnia	25,55	630
11	czerwona	średnia	25,42	627
12	czerwona	słaba	25,24	621
13	pomarańczowa	słaba	25,06	616
14	pomarańczowa	średnia	24,99	615
15	pomarańczowa	średnia	24,81	610
16	pomarańczowa	średnia	24,72	607
17	pomarańczowa	słaba	24,55	603
18	pomarańczowa	słaba	24,34	598
19	żółta	słaba	24,21	594
20	żółta	słaba	23,95	588
21	żółta	silna	23,82	585
22	zielona	słaba	21,64	541
23	zielona	słaba	21,30	535
24	zielona	słaba	21,24	534
25	zielona	słaba	20,42	520
26	niebieska	słaba	17,96	487

Niestety nie zdołałem zidentyfikować gazu zawartego w rurce nr 3 - mimo przeprowadzenia analizy widm wszystkich pierwiastków występujących w warunkach normalnych w stanie gazowym (być może w rurce tej znajduje się mieszanina różnych gazów ?). Wyniki zilustrowane są na załączonym rysunku.

WYSTĘPUJĄCA NIEPEWNOŚĆ SYSTEMATYCZNA:

Związana jest on ze skończoną podziałką okularu. Oszacowana przez mój zespół niepewność wynosi 0,01 skali spektrometru, co w odniesieniu do długości fali daje niepewności, które zbadałem dla wybranych punktów krzywej dyspersji - wyniki przedstawiam na następnej stronie:

SKALA SPEKTROSKOPU	BŁĄD W nm
8	0,047
10	0,066
12	0,080
14	0,091
16	0,105
18	0,123
20	0,149
22	0,186
24	0,239
26	0,309
28	0,400

Pozostałe błędy są bardzo trudne do oszacowania podam tylko ich przyczyny:

• luzy na pokrętle spektroskopu

• „czynnik ludzki” - możliwe błędy w odczycie skali okularu

4. WNIOSKI

Analiza spektralna jest potężnym narzędziem współczesnej fizyki - jest wykorzystywana często min. w astronomii. Analiza spektralna widma gwiazd i galaktyk pozwala nam na identyfikacje pierwiastków z których są one zbudowane.

W opisanym doświadczeniu ta sama metoda pozwoliła nam na określenie zawartości rurek Geisslera - otrzymane wyniki są bardzo zbliżone do wyników tablicowych.

1

α

β

β

α

---