Wanat Karol

I ED

Ćwiczenie nr 47

Badanie widma emisyjnego gazów.

Wyznaczanie nieznanych długości fali.

Zagadnienia wstępne

1. Równania Maxwella jako podstawa matematycznego opisu propagacji fal elektromagnetycznych.

2. Model atomu w teorii klasycznej.

3. Rodzaje widm ze szczególnym uwzględnieniem widm liniowych.

Część teoretyczna

Podstawę matematycznego opisu wszelkich zjawisk promieniowania i propagacji fal elektromagnetycznych w materii stanowią równania sformułowane przez Maxwella w 1864 roku.

Promieniowanie elektromagnetyczne można opisać dwojako: jako falę i jako strumień fotonów. Fale elektromagnetyczne - to rozchodząca się w przestrzeni i w czasie spójna zmiana pola elektrycznego i magnetycznego. Fali takiej, jak każdej fali, można przyporządkować długość λ i częstość υ. Obie te wielkości są ze sobą związane zależnością:

Widmo promieniowania elektromagnetycznego obejmuje fale o długościach od około 10 ^-7 m do około 10 ^-3 m. W tym obszarze mieści się tzw. nadfiolet i promieniowanie widzialne (światło) oraz podczerwień i daleka podczerwień (granicząca z mikrofalami). Zamiast długością fali można się posługiwać jej odwrotnością
, nazywaną liczbą falową.

Obszar widma	Długość fali λ	Liczba falowa ν
—	[ nm ]	[ cm ^-1 ]
Nadfiolet (bliski)	200 - 380	50 000 - 26 300
Widzialny	380 - 780	26 300 - 12 800
Podczerwień	730 - 3 × 10 ^4	12 800 - 333
Podczerwień (daleka)	3 × 10 ^4 - 3 × 10 ^5	333 - 33,3

Inny sposób opisu promieniowania elektromagnetycznego polega na traktowaniu go jako strumienia cząstek - fotonów, pozbawionych wprawdzie masy spoczynkowej, ale niosących ze sobą ściśle określoną energię E = h × ν, gdzie ν jest częstością a h stałą Plancka.

Kiedy kwant promieniowania elektromagnetycznego - foton, pada na cząsteczkę, może być przez nią pochłonięty. Warunek, który muszą spełniać cząsteczka i foton (tak zwany warunek Bohra) można zapisać:

ΔE_nm = E_n - E_m

Oznacza to, że energia jaką niesie ze sobą foton musi być równa różnicy ΔE_nm pomiędzy stanami energetycznymi „m” i „n” cząstki. Jeżeli warunek Bohra jest spełniony, to promieniowanie może zostać pochłonięte - mamy doczynienia z procesem absorbcji promieniowania. Cząsteczka przechodzi wówczas do stanu o wyższej energii, zostaje wzbudzona. Możliwy jest również proces odwrotny. Wzbudzona cząsteczka może powrócić do stanu niższego, a nadmiar energii zostanie wysłany przez nią w postaci kwantu promieniowania o częstości (i długości) określonej warunkiem Bohra. Taki proces nazywa się emisją promieniowania. Jeżeli dokonamy badania zmian natężenia absorbcji w funkcji długości fali absorbowanego promieniowania to uzyskamy w ten sposób obszar zwany widmem absorbcyjnym badanych cząsteczek.

Wyróżniamy cztery podstawowe źródła energii cząsteczki:

• ruch translacyjny (postępowy) cząsteczki jako całości;

• rotacje tzn. obroty cząsteczek jako całości wokół określonej w przestrzeni osi;

• oscylacje (drgania) atomów w cząsteczce względem ich położenia równowagi;

• sposób rozkładu elektronów w cząsteczce.

Jeżeli porównamy energię przejść z energią promieniowania elektromagnetycznego, to stwierdzimy, że:

• widmo rotacyjne leży w dalekiej podczerwieni;

• widmo oscylacyjne leży w obszarze podczerwieni;

• widmo elektronowe leży w obszarze widzialnym i nadfiolecie.

Wykonanie ćwiczenia.

Przyrządy: spektrometr, źródło światła białego, źródła światła o widmach liniowych.

W ćwiczeniu bada się najprostsze widmo jakie dają pobudzone do świecenia gazy jednoatomowe - tj. widmo liniowe. Źródłem światła jest gaz zamknięty w tzw. rurce Pluckera pobudzony do świecenia wyładowaniem elektrycznym z induktora Ruhmkorfa. Źródło światła białego (żarówka) służy do oświetlenia skali w spektrometrze.

Kolejność czynności.

1. Połączyłem obwód według schematu:

Przed uruchomieniem przyrządów zgłosiłem się do prowadzącego ćwiczenie, w jego obecności włączyłem induktor i ustawiłem układ tak, by na matówce w okularze lunety spektrometru oglądać intensywne widmo liniowe na tle oświetlonej (z zewnętrznego źródła) wskazówki połączonej z bębnem skali spektrometru.

2. Przesuwając bęben skali spektrometru odczytałem położenie L wszystkich linii widmowych.

3. W tablicy znajdującej się przy ćwiczeniu odczytałem długość fali zaobserwowanych linii λ_L gazu wzorcowego, którym jest hel.

4. Wykreśliłem krzywą dyspersji spektrometru λ = f (L).

5. Zmieniłem źródło światła o widmie liniowym. Wziąłem rurkę Pluckera wypełnioną innym gazem, korzystając z wykreślonej przez siebie krzywej dyspersji znalazłem długość fali linii wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia.

6. Oszacowałem błędy pomiarowe uwzględniając dokładność określenia położenia linii na skali oraz dokładność odczytu długości fali z krzywej dyspersji.

7. Wyniki umieściłem w tabelce.

Lp.	Barwa linii	L	ΔL	λ	Lx	Barwa λ	λx	Δλx	λx ± Δλx
—	—	—	—	[ ]	—	—	[ ]	[ ]	[ ]
1.
2.
3.
4.
5.

INDUKTOR

A

B

Spektrometr