POLITECHNIKA WROCŁAWSKA SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Nr 56

INSTYTUT FIZYKI TEMAT: Analiza spektralna oraz badanie

FILIA W JELENIEJ GÓRZE absorpcji filtrów za pomocą spektroskopu.

Imię i nazwisko: numer kolejny ćwiczenia zaliczenie

Krzysztof Jabłoński 7

grupa wydział rok data wykonania ćwiczenia

2 elektroniki 1 7 - IV - 2000

CEL ĆWICZENIA:

• zapoznanie się z zasadą działania, budową spektroskopu,

• obserwacja widma emisyjnego oraz absorpcyjnego.

WPROWADZENIE:

Światło o dwoistej naturze (korpuskularno - falowej) można określić jako promieniowanie mogące oddziaływać na ludzkie oko. Także przez pojęcie światła rozumiemy promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie długości fal światła widzialnego (400 - 760 nm), ultrafioletu i podczerwieni. Światło wypromieniowane przez zwykłe źródła jest zwykle zbiorem fal o różnych długościach (częstotliwościach). Światło, które odpowiada jednej określonej długości fali nazywa się światłem monochromatycznym. W przyrządach optycznych widmo takiego światła obserwujemy w postaci wąskiej linii. Szerokość tej linii określona jest przez skończony czas promieniowania atomu.

Oko ludzkie reaguje na światło w bardzo szerokich granicach natężeń - w stosunku około 1 : 100 000. Najmniejsza ilość (dawka) energii wywołującej wrażenie światła wynosi 2 · 10
dżuli, co odpowiada około 30 fotonom światła żółtozielonego. Rysunek zamieszczony poniżej przedstawia względną czułość „standardowego” oka na promieniowanie o różnych długościach fal. Rysunek pokazuje, że środek obszaru widzialnego przypada na około 5,55 · 10
m. , czyli 555 nm. Światło o tej długości wywołuje wrażenie koloru żółtozielonego.

W optyce często używanymi jednostkami długości fal są: mikrometr (µm), nanometr (nm) i angstrem (Ǻ). Definiuje się je następująco:

1 µm = 10
m

1 nm = 10
m

1 Ǻ = 10
m.

A więc środek obszaru widzialnego można określić jako 0,555 µm. lub 555 nm, lub 5550 Ǻ.

Granice widma światła widzialnego nie są dobrze określone, ponieważ krzywa czułości oka dla dużych i małych długości fal zbliża się w sposób asymptotyczny. Jeżeli przyjąć jako graniczne długości fal, dla których czułość oka spada do 1% czułości maksymalnej, to wynoszą one około 430 nm i 690 nm, czyli różnią się o czynnik mniejszy niż 2. Oko może zaobserwować promieniowanie poza tymi granicami, jeżeli jest ono dostatecznie intensywne. W wielu fizycznych doświadczeniach oko ludzkie zastępuje się klisza fotograficzną lub detektorem elektronicznym czułym na światło.

Widmem optycznym lub spektrum nazywamy obraz uzyskany w wyniku rozszczepienia promieniowania polichromatycznego na składowe o różnych długościach fal. W zależności od sposobu powstawania, widma dzielą się na emisyjne i absorpcyjne.

Widmo emisyjne, to znaczy widmo światła emitowanego przez dana substancję, może mieć postać jasnych, barwnych prążków, kolorowych pasm lub zespołu barw przechodzących płynnie jedna w drugą.

Widmo złożone z barwnych ostrych prążków jest to widmo emisyjne liniowe, natomiast każdy z takich prążków nazywamy linią widmową. Każdej linii widmowej odpowiada określona długość fali, a więc jednocześnie wartość energii emitowanych fotonów. Powstanie linii widmowej jest związane ze strukturą świecącego atomu.

Każdy atom zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra i elektronów, z których każdy znajduje się w ściśle określonym stanie energetycznym. Energia elektronów jest skwantowana, to znaczy nie jest funkcją ciągłą odległości elektronu od jądra, a przybiera tylko ściśle określone wartości (dyskretne). Atom znajduje się w stanie stacjonarnym wtedy, gdy nie wypromieniowuje energii. Jeśli atom pobudzimy do świecenia, część elektronów pobierając energię przechodzi do stanu wyższego niż stacjonarny. Elektron przebywa w stanie wzbudzonym bardzo krótko, a następnie wraca do stanu o mniejszej energii wypromieniowując energię w postaci fali świetlnej, przy czym długość jej odpowiada zakresowi widzialnemu, ultrafioletowi lub bliskiej podczerwieni.

Zgodnie z modelem budowy atomu, szerokość linii widmowej powinna być bliska zeru. Jednak ze skończonym czasem życia w stanie wzbudzonym, efektem Dopplera oraz wzajemnymi oddziaływaniami między atomami, obserwuje się poszerzenie linii widmowej. Widmo liniowe emitują pobudzone do świecenia pojedyncze atomy gazów. Jest to więc widmo elektronowe, bo linie widmowe są obrazem zmian energii elektronowej atomu.

Widmo światła emitowanego przez cząsteczki ma bardziej skomplikowana strukturę, jest pasmowe, to znaczy składa się z układu kolorowych pasm, każdy układ z ciągu pasm, a każde pasmo zbudowane jest z poszczególnych linii widmowych. W każdym paśmie linie zbiegają się do brzegów, tworząc tak zwana głowicę pasma. Ta potrójna struktura widma cząsteczkowego odpowiada potrójnej strukturze stanów energetycznych cząsteczki. Energię całkowitą cząsteczki można zapisać następującym wzorem:

,

gdzie

- jest to całkowita energia cząsteczki,

- energia elektronowa,

- energia oscylacji,

- energia rotacji.

Jeżeli poziom energetyczny elektronu w cząstce nie zmienia się i bez zmian pozostaje poziom energii oscylacji to obrazem tego są linie widma rotacyjnego o częstościach w dalekiej podczerwieni.

Gdy jednocześnie zmianie ulega energia oscylacji i rotacji, wtedy do częstości rotacyjnej dodaje się częstość oscylacyjną i powstaje widmo złożone z poszczególnych pasm. Widmo to obserwuje się w zakresie bliskiej podczerwieni.

W przypadku zmian energii elektronowej, do częstości rotacyjnej i oscylacyjnej dodaje się częstość elektronową. Wtedy jest to widmo pełne pasmowe przypadające w zakresie widzialnym, nadfioletowym i podczerwonym.

Ostatni typ widma emisyjnego to widmo ciągłe. Obserwuje się je podczas świecenia ciał stałych, ciekłych i gazów pod dużym ciśnieniem.

Jeżeli wiązkę promieniowania polichromatycznego przepuścimy przez warstwę gazu, cieczy lub ciała stałego, to uzyskamy widmo absorpcyjne na tle widma ciągłego, pochodzącego ze źródła polichromatycznego. Cząsteczki chemiczne w wyniku absorpcji światła dadzą pasmowe widmo absorpcyjne.

PRZEBIEG ĆWICZENIA:

Na początku ćwiczenia wyskalowaliśmy spektroskop. Stosowaliśmy do tego celu źródło światła - rurkę Geislera wypełnioną helem - o możliwie dużej liczbie linii widmowych. Podczas wykonywania ćwiczenia badaliśmy za pomocą spektroskopu widma helu oraz badaliśmy spadki oświetlenia dla poszczególnych absorbentów przy użyciu światła białego. Ustaliliśmy przedziały widzialne dla światła białego wysyłanego z żarówki. Następnie podzieliliśmy przedział widzialności światła białego na 16 części. Na poszczególnych, podzielonych częściach badaliśmy o jaki procent spadnie natężenie światła gdy na drodze pomiędzy światłem a przyrządem optyczny umieścimy absorbent.

TABELE POMIAROWE:

1. Skalowanie spektroskopu.

Pierwiastek	Położenie na skali	Barwa linii	Długość fali	Natężenie światła
Hel	[mm]				[nm]
	12,51	czerwona	706,52	średnie
	12,745	czerwona	667,81	średnie
	13,031	żółta	587,56	bardzo silne
	13,68	zielona	501,57	średnie
	14,27	niebiesko-zielona	492,19	średnie
	14,53	niebieska	471,31	silne
	14,69	fioletowa	447,15	słabe

2. Badanie absorpcji filtrów.

Położenie na skali	Spadek natężenia światła w %
[mm]	Fluoresceina	Fuksyna
12,36	5	12
12,594	3	10
12,828	12	5
13,062	3	10
13,296	5	15
13,53	5	20
13,764	15	30
13,998	10	80
14,232	25	95
14,466	30	98
14,7	50	100
14,934	60	100
15,168	30	100
15,402	30	100
15,636	25	100
15,87	40	100

WNIOSKI:

W przeprowadzanym przez nas ćwiczeniu największym błędem były odbierane przez oko barwy linii. Odczyt był bardzo subiektywny, może inna osoba rozróżniłaby inaczej poszczególne barwy linii, a także inaczej określiłaby spadki natężeń światła poszczególnych absorbentów. Takie odczyty nie są oczywiście dobre. W tej technice stosuje się najczęściej spektrografy zamiast spektroskopów. Dzięki spektrografom obserwacja zastąpiona jest przez fotografowanie widma. Przy dobraniu odpowiednich materiałów do częstości optycznych układu przezroczystego można badać widma w nadfiolecie (kwarc) i podczerwieni (np. NaCl, KBr).

Przeprowadzenie ćwiczenia ukazało nam , że widmo ciągłe dawane przez lampę żarową jest dość ostro ograniczone po stronie czerwieni. Wpływa na to ograniczona wrażliwość ludzkiego oka oraz szklana optyka przyrządu pochłaniająca podczerwień.

---