Politechnika Śląska

Wydz. Elektryczny

Kierunek: Elektrotechnika

studia mgr, semestr II

Analiza widmowa

Sekcja nr 4:

1. Kańtoch Iwona

2. Polit Sylwia

3. Szatka Marcin

Data: 08. 04. 1997

1. Wprowadzenie

Widmem optycznym nazywamy obraz powstały w skutek rozszczepienia światła pochodzącego od źródła rzeczywistego na składowe o różnych długościach fali. Ze względu na pochodzenie widma dzielimy na: emisyjne, absorbcyjne, luminescencyjne. Ze względu na powstały obraz widma dzielimy na: liniowe, pasmowe, ciągłe.

Emisyjne widmo liniowe dają pobudzone do świecenia gazy oraz pary metali. Powstawanie linii widmowych związane jest ze wzbudzaniem elektronów pojedynczych atomów. Jeśli atom zostanie wzbudzony, to elektron przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wyższego i wracając wypromieniowywuje energię w postaci kwantu światła (fotonu):

Długości poszczególnych linii widmowych są charakterystyczne dla danych substancji. Obecność określonej linii świadczy o obecności odpowiedniej substancji w źródle światła. Czułość takiej analizy jakościowej jest wysoka, ponieważ domieszki śladowe mogą być już zauważone. Z natężenia linii można wnioskować o ilości danego pierwiastka w danym stopie lub związku chemicznym.

Linie widmowe układają się w serie. Charakterystyczne są serie widmowe dla wodoru. W zakresie światła widzialnego długości fali kolejnych linii określa wzór Balmera :

gdzie b jest stałą równą 364.57 nm.

Ze wzrostem liczby k zmniejszają się odległości między liniami i praktycznie można znaleźć jedynie kilka pierwszych linii widmowych danej serii. W dalekim nadfiolecie otrzymamy serię Lymana dla wodoru. Natomiast w podczerwieni mamy serie Paschena, Bracketta, Pfundta i Humphreysa.

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 absorbcyjne zajmują to samo miejsce, co odpowiadające im linie emisyjne danej substancji.

Luminescencja może być wywołana bombardowaniem ciała elektronami, przepływem prądu elektrycznego, oświetleniem ciała, napromieniowaniem lub pewnymi reakcjami chemicznymi. Luminescencja jest zjawiskiem nierównowagowym. Widmo luminescencyjne jest złożone i zależy od wielu czynników.

Do analizy widmowej stosuje się spektografy pryzmatyczne, siatkowe i interferencyjne. Światło przechodzi przez prostokątną szczelinę o szerokości ok . Soczewka skupiająca ustawiona w odległości ogniskowej daje wiązkę światła równoległego padającego na pryzmat pod kątem dającym minimum odchylenia. Druga soczewka skupia na matówce promienie odpowiadające kolejnym liniom widmowym dając barwne obrazy szczeliny o szerokości powiększonej

Działanie spektrografu oparte jest na zjawisku dyspersji, polegającym na zależności prędkości światła od długości fali.

Dyspersja kątowa określa rozbieżność dwóch wiązek różniących się długością fal Δl o jednostkę np. 1 nm. Ta rozbieżność kątowa spowoduje pewną odległość linii widmowych na ekranie.

Dyspersja liniowa jest to przedział długości fal przypadający na jednostkę długości ekranu.

Krzywa dyspersji jest to zależność wskazań skali spektroskopu od długości fali.

2. Przebieg ćwiczenia

Urządzenie umożliwiające obserwacje widma - spektroskop, składa się z kolimatora, służącego do ustalenia wiązki równoległej odpowiedniej szerokości, oraz lunetki posiadającej skalę. Spektroskopy posiadają skale liniową, która wymaga każdorazowego cechowania.

W celu sporządzenia krzywej dyspersji spektroskopu stosujemy wzorcowe źródła światła o znanych długościach linii widmowych . Pierwszym takim źródłem światła jest lampa rtęciowa. Po włączeniu lampy, ustawiamy ją na osi kolimatora. Następnie regulujemy ostrość okularu i szerokość szczeliny kolimatora. Przesuwając lunetą notujemy położenia linii widmowych. Określamy skalę intensywności linii. Następnie analogicznie pomiary wykonujemy z rurkami Plückera wypełnionymi neonem i badanym gazem.

W celu ustalenia substancji nieznanej posługujemy się wykresem krzywej dyspersji spektroskopu. Określając najpierw zależności położenia względem długości fal dla rtęci i neonu określamy z wykresu odpowiadające poszczególnym położeniom długości fal widma dla gazu nieznanego. Identyfikujemy go po porównaniu z tablicami linii widma.

3. Tabele pomiarowe

W poniższych tabelach przyjęto pięciostopniową skalę intensywności linii widmowych:

1 - najsłabsza

2 - słaba

3 - średnia

4 - silna

5 - najsilniejsza

Substancja: rtęć

Skala	Barwa	Intensywność	Długość fali [nm]
			tablicowa	z wykresu
161	czerwona	1	670.9	-
190	żółta	1	579.0	-
193	żółta	1	577.0	-
223	zielona	3	546.1	-
394	niebieska	1	479.7	-
320	fioletowa	1	433.9	-
417	fioletowa	3	435.8	-

Substancja: neon

Skala	Barwa	Intensywność	Długość fali [nm]
			tablicowa	z wykresu
139	czerwona	2	659.9	-
148	czerwona	3	640.2	-
152	czerwona	2	650.6	-
154	czerwona	1	667.8	-
156	czerwona	2	638.3	-
160	czerwona	1	692.9	-
165	czerwona	3	633.4	-
167	pomarańczowa	2	626.6	-
170	pomarańczowa	2	621.7	-
172	pomarańczowa	1	616.4	-
176	pomarańczowa	1	614.3	-
179	pomarańczowa	2	607.4	-
184	żółta	2	576.4	-
186	żółta	2	574.8	-
194	żółta	1	571.9	-
230	zielona	2	534.1	-
237	zielona	1	514.5	-
305	niebieska	1	489.2	-

Substancja: nieznana

Skala	Barwa	Intensywność	Długość fali [nm]
			tablicowa	z wykresu
184	pomarańczowa	1
280	zielona	1
294	niebieska	1
333	niebieska	1
386	fioletowa	1

1. Wprowadzenie

Wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne polega na generacji elektronów i dziur w półprzewodnikach pod wpływem światła. Jeśli energia fotonu jest większa od szerokości przerwy energetycznej W_­g :

to mamy do czynienia z fotoprzewodnictwem samoistnym, w którym biorą udział zarówno swobodne elektrony, jak i dziury. W przypadku półprzewodników domieszkowych z głębokimi poziomami akceptorowymi lub donorowymi może wystąpić fotoprzewodnictwo niesamoistne, związane z jednym rodzajem nośników ładunków. Zjawisko to można zaobserwować w niskich temperaturach.

W przypadku fotoprzewodnictwa samoistnego absorbcja światła zachodzi tuż przy powierzchni półprzewodnika, a głębokość wnikania światła jest rzędu 100 nm. Można więc stosować cienkie warstwy fotoprzewodzące. W drugim przypadku, gdy zachodzi fotoprzewodnictwo niesamoistne, absorbcja światła jest proporcjonalna do koncentracji domieszek, a głębokość wnikania jest znacznie większa.

Wzrost przewodności elektrycznej półprzewodników związany jest ze wzrostem koncentracji nośników ładunków:

gdzie m - ruchliwość nośników. Dla fotoprzewodnictwa samoistnego zmiany koncentracji dziur i elektronów są równe. Zmiana przewodności może też być wywołana zmianą ruchliwości elektronów i dziur:

Jeśli próbkę półprzewodnikową oświetlimy światłem o mocy P, to w czasie 1 s wygeneruje się liczba par elektron-dziura równa:

gdzie h - wydajność kwantowa procesu generacji, r - współczynnik odbicia światła. W stanie ustalonym liczby nadmiarowych nośników są zależne od ich czasu życia:

Ostatecznie więc zmiana konduktancji określona będzie wzorem:

Fotoprzewodnictwo zależy bardzo silnie od długości fali światła padającego na powierzchnię półprzewodnika. Względna czułość widmowa wyrażona jest w procentach względem czułości maksymalnej.

2. Przebieg ćwiczenia i tabele pomiarowe

Miernikiem cyfrowym mierzymy rezystancję fotorezystora w funkcji długości fali świetlnej, zmienianej w przedziale od 380 do 720 nm co 20 nm.

Zakres miernika: 200 kΩ (pomiary 1 - 5)

20 kΩ (pomiary 6 - 18)

Typ miernika: V561

Waga ostatniej cyfry: 0.1 kΩ (zakres 200 kΩ)

0.01 kΩ (zakres 20 kΩ)

Błąd bezwzględny pomiaru obliczamy ze wzoru:

---