Data: 13-04-99	Jarek Ptak	Wydział Mechaniczny	Grupa: 12B
Ćwiczenie: O-5	Temat: Badanie	widm	optycznych
Kolokwium	Ocena:	Data:	Podpis:
Wykonał

ROZSZCZEPIENIE ŚWIATŁA PRZEZ PRYZMAT

Wartość bezwzględnego współczynnika załamania zależy od barwy, czyli od długości fali światła. Ponieważ kąt o jaki pryzmat odchyla promień świetlny, zależy od wartości współczynnika załamania, wynika stąd, że pryzmat odchyla rozmaicie światło różnej barwy. Można to zademonstrować doświadczalnie, rzucając na pryzmat wiązkę równoległą światła czerwonego, następnie fioletowego. Światło czerwone zostaje mniej odchylone przez pryzmat niż światło fioletowe. Jeśli na pryzmat rzucimy wiązkę światła białego, to jak pokazał Newton w 1704 r., światło to zostaje rozszczepione przez pryzmat tak, że na ekranie, na który pada wiązka załamana uzyskujemy wstęgę o tęczowych barwach, tzw. widmo światła białego. Gdy źródłem światła białego jest np. żarówka elektryczna lub słońce, to widmo jest w pierwszym przybliżeniu ciągłe.

Barwy widma zmieniają się stopniowo od czerwieni do fioletu, przez barwy pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską. Tradycyjnie określa się w widmie siedem barw. W istocie różnych odcieni barwnych można odróżnić znacznie więcej. Doświadczenie Newtona daje się interpretować w ten sposób, że światło białe jest złożone, a pryzmat rozkłada je na składniki proste, na poszczególne wiązki barwne. Można jednak równie dobrze powiedzieć, że światło białe składa się z nieperiodycznych impulsów elektromagnetycznych, a przyrządy optyczne, takie jak pryzmat, czy siatka dyfrakcyjna, przeprowadzają analizę harmoniczna tych impulsów, tzn. Rozkładają je na impulsy harmoniczne.

Rozszczepienie wiązki białej dawane przez pryzmat jest już rozszczepieniem ostatecznym. Znaczy to, że jeśli którąś z wiązek składowych przepuścimy przez drugi pryzmat, nie rozszczepia on już tej wiązki na dalsze wiązki barwne, jedynie odchyla ją więcej lub mniej. Wiązki barwne dawane przez pryzmat można z powrotem zebrać za pomocą odpowiedniej soczewki. Otrzymujemy wówczas na ekranie białą plamkę.

SPEKTROSKOP

Spektroskop, zbudowali po raz pierwszy przez G. R. Kirchoff i R.W. Bunsen. Składa się on z kolimatora, na którego jednym końcu znajduje się szczelina, na drugim soczewka zbierająca. Po przejściu przez pryzmat światło wchodzi do lunetki, przez którą obserwujemy widmo. Zwykle spektroskop ma jeszcze pomocniczą lunetkę, zbudowaną jak kolimator, z tą różnicą, że zamiast szczeliny ma on skalę. Wiązka równoległa wychodząca z lunetki pomocniczej pada na ściankę pryzmatu, tak że po odbiciu się od pryzmatu trafia do lunetki „głównej”. Obserwator widzi równocześnie skalę i na jej tle widmo, tak że może dokładnie określić położenie różnych barwnych linii widmowych.

Za pomocą spektroskopu Kirchoff i Bunsen wykryli w 1859 r. Fakt, który stał się podstawą analizy widmowej. Okazało się mianowicie, że pobudzone do świecenia gazy i pary dają charakterystyczne widmo nieciągłe. Możemy pobudzić do świecenia parę jakiegoś ciepła np. metalu- wprowadzając je do płomienia, możemy wytworzyć wyładowanie iskrowe między elektrodami z badanego metalu albo wreszcie wywołać wyładowanie łukowe, przy czym jedna z elektrod łuku musi być z danego metalu; możemy też po prostu wywołać wyładowanie elektryczne w parze danego metalu w lampach specjalnej konstrukcji. W tych wszystkich przypadkach obserwujemy charakterystyczne widmo złożone z oddzielnych linii. Typowym przykładem widma tego rodzaju jest widmo sodu, które w części widzialnej składa się z jednej linii żółtej, zwanej linią D. Linia ta ma określone położenie i odpowiada jej światło o dokładnie określonej długości fali. Przy użyciu przyrządów o dużej zdolności rozdzielczej okazuje się, że linia sodu składa się z dwu linii położonych blisko siebie: D1 i D2 o długości fali 589 nm i 588 nm. Żółta linia D charakteryzuje więc widmo atomów sodu. Możemy ją zauważyć wprowadzając do płomienia palnika Bunsena dowolny związek sodu.

Każdy pierwiastek ma swoje charakterystyczne widmo złożone z linii; przy dokładniejszym zbadaniu okazuje się, że linie rozłożone są w widmie według praw określonego typu, tworząc serie widmowe. Zwróćmy tutaj uwagę na podstawowy fakt, że widma liniowe są charakterystyczne dla rodzaju atomów w stanie gazu i pary. Wynika stad możliwość analizy widmowej, tzn. Stwierdzenia obecności danego pierwiastka w badanej substancji przez zbadanie jej widma. Zauważmy, że dla pojawienia się widma liniowego charakteryzującego atomy konieczna jest dysocjacja związków, w których skład te atomy wchodzą. Dysocjacja taka zachodzi zawsze w warunkach świecenia płomienia łuku lub iskry.

RODZAJE WIDM

Omówione wyżej widma są to widma liniowe(seryjne). Znamy inny typ widm - widma pasmowe; charakteryzują one już nie atomy, a cząsteczki. Przy użyciu przyrządów o dużej zdolności rozszczepiającej okazuje się, że widma pasmowe tez składają się z dużej ilości linii, ułożonych jednak według innego prawa niż w widmach seryjnych. Inaczej zachowują się rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod dużym ciśnieniem. Dają one widma ciągłe obejmujące wszystkie barwy od czerwieni do fioletu. Rozkład natężeń w widmie zależy od rodzaju ciała i jego temperatury. Im wyższa jest temperatura, tym bardziej maksimum natężenia w widmie przesuwa się w stronę fal krótkich.

Wszystkie omówione tu rodzaje widm(liniowe i pasmowe) są to widma emisyjne. Prócz nich znamy jeszcze inny rodzaj widm - widma absorpcyjne. Możemy je zaobserwować, jeżeli na drodze światła pochodzącego ze źródła o widmie ciągłym znajdzie się warstwa, np. gazu czy pary o temperaturze niższej niż temperatura źródła.

Badania widm emisyjnych i absorpcyjnych są ważnym źródłem wiedzy o budowie gwiazd i materii międzygwiezdnej oraz międzygalaktycznej. Doprowadziły one np. do sklasyfikowania gwiazd według typów widmowych, grupujących gwiazdy wysyłające promieniowanie o zbliżonym wyglądzie widma. Typy widmowe gwiazd oznaczone literami O, B, A, F, G, K, M., różnią się również rozkładem natężenia promieniowania w widmie (temperatura ich maleje od O do M). Słońce należy do typu widmowego G.

---