Rok akademicki 2009/2010

Sprawozdanie

do ćw. nr 47

Temat:

Badanie widma emisyjnego gazów. Wyznaczenie nieznanych długości fal.

Wykonał:

Piotr Maślanka Lp 5

1. Wstęp teoretyczny.

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  i częstość . 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 	Liczba falowa 
—	[ 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  , gdzie  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:

E_nm = E_n – E_m

Oznacza to, że energia jaką niesie ze sobą foton musi być równa różnicy E_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.

2. 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 _L gazu wzorcowego, którym jest hel.

4. Wykreśliłem krzywą dyspersji spektrometru  = 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.

3. Obliczenia.

Lp	Barwa	Natężenie			L
1	Czerwona słaba	słaba	0,7065	158,3	157,8	0,6981
				158,2	157,6
				158,3	157,8
2	Czerwona silna	silne	0,6678	152,3	147,0	0,6411
				152,1	146,9
				152,2	147,0
3	Żółta bardzo słaba	bardzo silna	0,5876	134,9	135,5	0,5889
				134,8	135,5
				134,9	135,6
4	żółtozielona	bardzo słaba	0,5411	130,9	133,4	0,5807
				130,6	133,5
				130,8	133,3
5	Zielona słaba	słaba	0,5047	106,3	130,6	0,5702
				106,3	130,5
				106,4	130,6
6	Zielona silna	silne	0,5015	104,8	131,8	0,5718
				104,8	131,8
				104,8	131,7
7	Niebieska silna	silne	0,4685	69,3	120,3	0,5312
				69,4	120,3
				69,4	120,4
8	Fioletowa silna	silna	0,4471	72,9	105,8	0,4938
				73,0	105,7
				73,0	105,8
9	zielono-niebieska	uniwersalna	0,4921	100,5	125,8	0,5515
				100,5	125,7
				100,6	125,7
10	Fioletowa bardzo słaba	Bardzo słabe	0,4387	67,6	101,5	0,4838
				67,7	101,6
				67,6	101,5

Wykres = f