304	27.10.1998	Norbert Gajor	Wydział Elektryczny	III	A1
Mgr Adam Buczek

Badanie widm za pomocą spektroskopu.

Światło emitowane przez dowolne źródło promieniowania składa się z fal elektromagnetycznych o różnych długościach. Możemy się o tym przekonać wykorzystując pryzmat - przyrząd posiadający zdolność dyspersji, czyli rozszczepienia światła. Gdy światło białe, po przejściu przez wąską podłużną szczelinę, pada na pryzmat, ulega dwukrotnie załamaniu na ściankach łamiących oraz roszczepieniu barwnemu polegającemu na różnym odchyleniu promieni o różnych barwach. Promienie czerwone

odchylane są najmniej, a fioletowe najsilniej.

Rys.1.1. Rozczepienie światła przez pryzmat

Rozszczepienie jest bezpośrednim następstwem faktu, że współczynnik załamania zależy od długości fali. Dyspersją ośrodka nazywamy pochodną współczynnika załamania względem długości fali

.

Wielkość tę możemy przedstawić w postaci funkcyjnej, gdyż znana jest przybliżona zależność współczynnika załamania od długości fali. Ma ona dla ciał przezroczystych postać

gdzie A i B są pewnymi stałymi.

Uwzględniając powyższe znajdujemy, że dyspersję ośrodka w zależności od długości fali wyraża się wzorem

Widzimy, że dyspersja ośrodka wzrasta szybko, gdy długość fali maleje.

Wielkość rozszczepionej przez pryzmat zależy nie tylko od dyspersji ośrodka, lecz również od kąta padania i kąta łamiącego. Wielkością charakteryzującą rozszczepienie dla danego pryzmatu jest dyspersja kątową pryzmatu

,

gdzie
jest kątem odchylania.

Obraz rozszczepionej wiązki na ekranie nazywamy widmem promieniowania danego źródła światła. Ciała stałe w podwyższonej temperaturze emitują promieniowanie o widmie ciągłym, zawierającym wszystkie możliwe długości fal.

Gazy dwuatomowe i bardziej złożone. pobudzone do świecenia, emitują długości fal z pewnych przedziałów, dając widmo pasmowe.

Gazy jednoatomowe oraz pary ciał stałych promieniują widmo liniowe, w którym występuje zespół kilku do kilkudziesięciu długości fal o ściśle określonych wartościach. Widmo liniowe ma postać układu wąskich, barwnych linii (prążków). Każdy pierwiastek ma swoje indywidualne widmo, nie powtarzające się dla żadnego innego pierwiastka. Ta własność stanowi podstawę metody identyfikacji pierwiastków na podstawie ich widm - analizy widmowej lub spektralnej.

1.Cechowanie spektroskopu

Skala używanego w ćwiczeniu spektrometru jest względna, nie daje bezpośrednio długości fali. Aby określić długości fal występujących w danym widmie, musimy najpierw wycechować spektroskop, tzn. przyporządkować danym podziałom skali określone długości fali. Dokonujemy tego, używając światła substancji emitujących znane widma. Do tego celu używamy najczęściej rurek jarzeniowych wypełnionych wodorem, helem, neonem lub parami rtęci. Rurki te, zwane rurkami Geisslera, pobudzane są do świecenia wysokim napięciem z cewki Ruhmkorffa. Rurkę umieszczamy przed szczeliną kolimatora w odległości 2-3 cm, ustalając jej pozycję tak, aby oglądane przez lunetkę widma miały jak największą jasność. Odczytujemy na skali położenia linii i zapisujemy je w tabeli pomiarów. Dobrze jest również zanotować względne natężenie linii (bardzo silna, silna, słaba, bardzo słaba).

Zależność między długością fali i położeniem na skali poszczególnych linii widmowych przedstawiamy graficznie w postaci ciągłej krzywej zwanej krzywą dyspersji. Krzywa dyspersji pozwala na znalezienie długości fali nieznanej linii (rzędna krzywej dyspersji), gdy znane jest jej położenie na skali, czyli odcięta krzywej dyspersji.

2. Analiza widm

Obserwując za pomocą spektroskopu ciało świecące otrzymujemy jego widmo emisyjne. Przy identyfikacji widma przypisujemy (odwrotnie niż przy cechowaniu) położeniom linii na skali długości fal odczytane z krzywej dyspersji. Mając określone długości fal, jak również zaznaczone ich względne natężenia, znajdujemy w tablicach spektroskopowych pierwiastek posiadający uzyskane widmo.

3.Teoretyczne przygotowanie do ćwiczeń

Widmo absorpcyjne - układ ciemnych pasm (dla ciał stałych i cieczy) lub linii (dla gazów).

Fotoluminescencja - niektóre ciała można pobudzić do świecenia przez naświetlanie ich z innego źródła. Ten rodzaj świecenia nazywamy fotoluminescencją.

Reguła Stokesa - badając widmo luminescencji dla tej samej substancji można zauważyć, że to ostatnie jest przesunięte bardziej w stronę fal długich. Ta prawidłowość nosi nazwę reguły Stokesa i może być wytłumaczona na bazie zasady zachowania energii. Kwant promieniowania pochłoniętego ma energię, która nie może być mniejsza od energii kwantu promieniowanego, gdyż światło pochłonięte jest źródłem energii dla procesu emisji.

Biorąc pod uwagę związek : ϑ = C / λ

otrzymamy nierówność : λ _e ≥ λ _a

która wyraża regułę Stokesa.

4.Przebieg ćwiczenia

a) skalowanie spektroskopu

Lp.	Kolor prążka	Długość fali	Odczyt ze śruby mikrometrycznej
1	czerwona słaba	690.7 nm	1236
2	czerwona mocna	671,6 nm	1247
3	czerwona mocna	623.4 nm	1278
4	czerwona słaba	612.3 nm	1287
5	pomarańczowa słaba	607.2 nm	1291
6	pomarańczowa słaba	589.0 nm	1306
7	żółta bardzo mocna	579.1 nm	1315
8	żółta bardzo mocna	576.9 nm	1318
9	żółto zielona b. słaba	567.5 nm	1326
10	zielona b. mocna	546.1 nm	1349
11	niebiesko - zielona słaba	536.5 nm	1391
12	niebieska b. słaba	504.6 nm	1402
13	niebieska b. słaba	502.6 nm	1405
14	niebieska mocna	499.1 nm	1416
15	niebieska b. mocna	491.6 nm	1423
16	niebieska b. mocna	435.8 nm	1536
17	niebieska b. słaba	434.7 nm	1539
18	niebieska b. słaba	433.1 nm	1542
19	fioletowa słaba	407.8 nm	1617
20	fioletowa mocna	404.6 nm	1628

b) badanie widma lampy

Lp.	Odczyt ze śruby mikrometrycznej	Długość fali λ [nm]
1	1310	586
2	1286	615
3	1260	650
4	1303	593
5	1259	650
6	1267	637
7	1290	607,5
8	1277	624
9	1271	634
10	1260	650

W doświadczeniu należało stwierdzić, jakie gazy znajdują się w rurkach Geisslera, posługując się jego widmem emisyjnym. Po wykreśleniu krzywej dyspersji i po porównaniu wyników uzyskanych dla poszczególnych gazów można stwierdzić, iż w rurce nr 2 znajdował się neon.

Zestawienie wyników dla gazu ( dla wybranych wartości długości fal, porównanie z neonem):

Uzyskane wyniki Wyniki pobrane z tabeli

1260 650 [nm] -

1267 637 [nm] 640,2 [nm]

1286 615 [nm] 614,3 [nm]

1290 607,5 [nm] 585.2 [nm]

1303 593 [nm] 594,5 [nm]

1310 586 [nm] 585,2 [nm]

16.36 404.6 [nm] -

Wyszukiwarka