Ćwiczenie nr 19

Temat ćw: Badanie widm optycznych za pomocą spektroskopu.

1.Przegląd widm fal elektromagnetycznych. Położenie fal świetlnych w tym

widmie.

Przegląd widma elektromagnetycznego rozpoczniemy od fal najdłuższych, a więc o najmniejszych częstotliwościach. Są nimi najdłuższe fale radiowe o długościach fal sięgających kilku kilometrów, a częstotliwościach rzędu 150 kHz. Za nimi rozciągają się fale radiowe średnie (setki metrów), krótkie (dziesiątki metrów) i ultrakrótkie (metry, decymetry). Za falami radiowymi rozciąga się obszar mikrofal, sięgający do dł. fal rzędu 10^-3 m. Najkrótsze mikrofale nakładają się na najdłuższe fale z zakresu tzw. podczerwieni, tzn. z zakresu promieniowania cieplnego rozciągającego się aż do długofalowej granicy promieniowania tzw. widzialnego.

Zakres promieniowania widzialnego jest stosunkowo bardzo wąski. Obejmuje on dł. od 7,6*10^-7 m. do 4*10^-7 m. Od strony krótkich fal obszar widzialny graniczy z nadfioletem sięgającym do dł. fal rzędu 10^-8 m. Tutaj rozpoczyna się dziedzina promieniowania rentgenowskiego, pokrywająca się od strony krótkich fal z promieniowaniem γ, rozciągającym się do dł. fal rzędu 10^-13-10^-14 m.

2.Zjawisko dyspersji światła. Rozszczepienie światła w pryzmacie.

Rozszczepienie światła w pryzmacie polega na zachowaniu różnej wartości współczynnika łamania światła w zależności od jego różnej częstości drgań.

Przez powierzchnie I promień rozszczepia się na składowe promienie barwne

dzięki temu , że współczynniki załamania dla różnych barw są różne.

Z barwą wiąże się odpowiednia częstość drgań

Najsilniej załamuje się promień fioletowy o dużej częstości, najsłabiej - promień czerwony o małej częstości drgań.

Ścianka pryzmatu załamuje jeszcze bardziej promienie składowe powstałe w wyniku rozszczepienia.

Wstęga barwna ab, jaka powstaje na ekranie, nosi nazwę widma promieniowania wiązki padającej A.

3.Rodzaje widm optycznych. Mechanizm ich powstawania i metody otrzymywania.

Światło o poszczególnych barwach różni się długością fali. Cały zakres światła widzialnego mieści się w przedziale 0,63 - 0,40μm. Obraz otrzymany na skutek rozszczepienia światła białego nazywamy widmem. Gdy poszczególne barwy widma przechodzą w sposób ciągły jedna w drugą, wtedy widmo nazywamy widmem ciągłym.Widmo ciągłe otrzymujemy rozszczepiając światło wysyłane przez ciała stałe i ciekłe podgrzane do wysokiej temperatury.

Gazy o cząsteczkach dwu -i wieloatomowych dają widma pasmowe , w których nie występują pojedyncze linie o określonej jednej tylko długości fali, lecz pasma na przemian jasne i ciemne. Widma pasmowe otrzymujemy również w przypadku , czyli świecenia wzbudzonego innym światłem.

Światło białe przechodząc przez pary doznaje pochłaniania. okazuje się, że pochłaniane są dokładnie te same długości fal, które dane ciało emituje świecąc. Stąd światło białe, po przejściu przez pary jakiegoś pierwiastka, nie daje już widma ciągłego. Widmo takie nazywamy widmem absorpcyjnym.

4.Przyrządy do badań widm.

• Spektroskop pryzmatyczny. Spektroskop pryzmatyczny składa się z kilku zasadniczych części, a mianowicie z kolimatora, pryzmatu i lunety.

• Spektroskop siatkowy (dyfrakcyjny). Jego działanie opiera się na zjawisku ugięcia światła. Składa się, podobnie jak spektroskop pryzmatyczny, z podstawy kołowej zaopatrzonej w podziałkę z noniuszem, kolimatora i lunety. Na stoliku tego przyrządu umieszczona jest siatka dyfrakcyjna zamiast pryzmatu.

• Spektrograf. Umieszczając w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu lunety L spektroskopu pryzmatycznego lub siatkowego kliszę fotograficzną, zastępujemy obserwację wizualną widma obserwacją fotograficzną. W ten sposób przekształcamy spektroskop w spektrograf.

• Spektrofotometr. Są to przyrządy służące do porównywania natężeń dwóch wiązek promieni o tej samej barwie. Mogą służyć do badania widm pochłaniania i widm np. fluorescencji.

5.Istota, zastosowanie, czułość i dokładność analizy spektralnej.

Analiza spektralna umożliwia odkrycie nowych pierwiastków. W ten sposób w latach 60-tych ubiegłego stulecia odkryte zostały: cez, rubid, tal, ind i gal. W latach późniejszych wykryto spektroskopowo pierwiastki ziem rzadkich i gazy szlachetne. W ostatnich dziesiątkach lat analiza widmowa jest szeroko stosowaną metodą wykonywania szybkich seryjnych analiz, mających na celu przede wszystkim wykrywanie pierwiastków śladowych.

Analiza spektralna jest metodą bardzo czułą, pozwala na przykład na wykrycie sodu 3*10^-7 mg. Z natężenia linii widmowych można wnioskować o stężeniu danego pierwiastka w danej próbce.

Tabele pomiarów

1.Sporządzenie krzywej dyspersji (skalowanie spektroskopu)

Nazwa gazu	Barwa linii widma	Położenie linii na skali x (cm)	Natężenie linii (silna, słabo wid.)	Długości fali (μm) (odczytana z tablic)
HEL	Ciemno-czerwona	0.0	Średnio	706.5
		Czerwona	1.1	Mocno	667.8
		Żółta	4.5	Bardzo jaskrawa	587.6
		Zielona	10.4	Mocno	501.6
		Zielono-niebieska	11.3	Średnio	492.2
		Niebieska	13.2	Słabo	471.3
		Indygo	17.1	Mocna	447.1
		Fiolet	18.3	Bardzo słabo	439.0

2. Widma emisyjne

Barwa linii widmowej	Położenie linii na skali x (cm)	Natężenie linii	Długość fali (μm) odczytana z wykresu	Nazwa gazu wypełniającego rurkę
Czerwona	0	Bardzo ciemna	706,5	Neon oraz Azot
		0,6	Nieco jaśniejsza		682
		0,7	Jeszcze bardziej jasna		679
		1,1	Średnia		667,8
		1,4	Jasna		661
		1,6	Jaśniejsza		653
		2,0	Bardzo jasna		643
		2,2	Jeszcze bardziej jasna		639
		2,5	Najjaśniejsza		631
	Pomarańczowa	2,7	Bardzo jasna		626
		2,8				622
		3,0				618
		3,1				615
	Zielona	3,7	Bardzo jasna		603
		4,3	Jasna		592
	Żółto-zielona	7,0	Jasna		548
		7,5	Jaśniejsza		541
Fiolet	13,4	Jasny	468

3.Widma absorpcyjne

Nazwa substancji absorbującej	Granice pasma				Barwa pasma pochłoniętego	Stopień osłabienia (absorpcji)
		Na skali		W długościach fal
		Dolna x1 (cm)	Górna x2 (cm)	Dolna x1 (μm)	Górna x2 (μm)
CuSO4	0	3,1	706,5	615	Czerwona		Całkowity
Eozyna	6,5	12,7	556	476	Zileno-niebieska
Chlorofil	0,5 13,9	1,6 20,0	685 455	653 430	Czerwona Niebieska

Wnioski i Błędy

Pierwsza część naszego ćwiczenia pozwoliła przygotować wykres, który pozwolił mam w miarę dokładnie odczytać długości fal widm odczytanych dla nieznanego gazu.

Jednak „odgadnięcie” gazu wypełniającego rurkę sprawiło mały kłopot.

Jego charakterystyczne świecenie oraz duża ilość prążków czerwonych, których długości fal odczytane z wykresu odpowiadały tym zawartym w tabelce, wskazywałaby na neon, jednak pojawiły się również prążki fioletowe których ten pierwiastek nie posiada. Można z tego wywnioskować iż w rurce znalazły się, oprócz neonu, pewne ilości azotu.

Niestety w wykonanym przez nas ćwiczeniu znalazło się kilka błędów.

Oto niektóre z czynników jakie wpłynęły na ich pojawienie:

• Niezbyt duża zdolność rozdzielcza pryzmatu

• Mała dokładność odczytu położeń prążków na skali spowodowana m.in. przez „zlewanie” się pasków w przypadku drugiego gazu, oraz małą dokładność ludzkiego oka

• Błędy natury graficznej powstałe przy sporządzaniu krzywej dyspersji (chociaż zostały one niemal wyeliminowane przez komputerowe sporządzenie wykresu)

• Niezbyt dokładny odczyt długości fal azotu ze sporządzonego wykresu - co zostało spowodowane przez ograniczoną możliwość dokładnego przedstawienia danych

Jednak mimo drobnych uchybień analiza widmowa daje nam dosyć dokładna możliwość wykrycia substancji - w ten sposób można wykryć ilość substancji rzędu

10 ^-8 mg w 1cm³.

---