Tomasz Szymański 165279

Sprawozdanie do cw. Nr 72

1. Wstęp

Widmo optyczne (spektrum) - to obraz uzyskany w wyniku rozszczepienia promieniowania polichromatycznego na składowe o różnych długościach fal.

Ze względu na sposób powstawania widma optyczne dzielimy na:
- absorpcyjne,
- emisyjne.

Widmo emisyjne jest to widmo światła emitowanego przez daną substancję, zaś absorpcyjne - pochłaniane , przy czym widma te są swoją odwrotnością (emisyjne przedstawiają się jako prążki/pasma/zakresy światła na ciemnym tle, zaś absorpcyjne to ciemne prążki/pasma/zakresy na tle widma ciągłego, przepuszczanego przez warstwę substancji).

Widmo złożone z barwnych, ostrych prążków jest to widmo emisyjne liniowe, każdy zaś prążek to linia widmowa. Każdej linii widmowej odpowiada określona długość fali, a więc wartość energii emitowanych fotonów. Powstanie linii widmowej związane jest ze strukturą atomu, który wyemitował dany kwant energii. Jak wiemy, energia w atomach jest skwantowana, tzn. przybiera jedynie ściśle określone wartości. W związku z tym przy wszelkich przejściach elektronu między orbitalami związane jest z wyemitowaniem lub zaabsorbowaniem określonego kwantu promieniowania, czyli fali elektromagnetycznej o ściśle określonej długości. Powodem emisji promieniowania może być np. wzbudzenie termiczne atomu, wskutek którego elektron przechodzi na wyższy poziom energetyczny, gdzie czas jakiś przebywa, po czym wraca na swe dawne miejsce, przy czym emituje nadmiar energii w postaci fali elektromagnetycznej (w zakresie okolic światła widzialnego).

Zgodnie z modelem budowy atomu, szerokość linii widmowej powinna być bliska zeru, ale w wyniku efektu Dopplera, wzajemnych oddziaływań międzyatomowych oraz innych czynników obserwuje się poszerzenie linii widmowej. Widmo liniowe jest charakterystyczne dla pojedynczych atomów gazów.Widmo światła emitowanego przez cząsteczki ma bardziej skomplikowaną strukturę - jest ono pasmowe tzn. składa się z układu kolorowych pasm, każde pasmo zaś z ciągu linii widmowych, w każdym paśmie zaś linie zbiegają się u jego brzegów, tworząc tzw. głowicę pasma. Ta potrójna struktura widma cząsteczkowego odpowiada potrójnej strukturze energetycznej cząsteczki. Energia cząsteczki składa się z: energii elektronów atomów cząsteczki, energii drgań atomów wewnątrz cząsteczki oraz energii rotacji cząsteczki jako całości. Energię całkowitą cząsteczki można opisać wzorem:

E=Eel + Eosc + Erot,
gdzie:

E - energia całkowita cząsteczki,
Eel - energia elektronów,
Eosc - energia oscylacji,
Erot - energia rotacji.

Każdy z tych rodzajów energii jest skwantowany, więc odpowiada mu odpowiednie widmo fal świetlnych odpowiadających swą energią poszczególnym kwantom energii. Spośród tych trzech rodzajów energii najmniejsza jest energia rotacyjna, jej widmo mieści się w zakresie dalekiej podczerwieni. Kolejny rodzaj energii, energia oscylacyjna ma kilkadziesiąt razy większe wartości, widmo zmian energii oscylacyjnej zawiera się w zakresie bliskiej podczerwieni. Największe zmiany energii powodowane są przez przejścia elektronów, widmo odpowiadające tym przejściom energetycznym znajduje się w zakresie widzialnym i nadfioletowym.

Ostatni typ widma emisyjnego to widmo ciągłe. Obserwuje się je podczas świecenia ciał stałych, ciekłych oraz mocno sprężonych gazów. Wskutek silnych oddziaływań międzyatomowych zachodzi tu poszerzenie linii widmowych w takim stopniu, że poszczególne linie widmowe nakładają się i zacierają.

Jak już wspomniałem powyżej, widma absorpcyjne są odwrotnością widm emisyjnych, związane są z pochłanianiem przez substancje kwantów energii, które zezwalają na przejście elektronu, zmianę rotacji lub oscylacji. Po pewnym czasie elektron lub cząsteczka wraca do swego stanu podstawowego i emituje ten kwant promieniowania, ale emisja zachodzi w dowolnym kierunku, tylko niewielka część jest zgodna z kierunkiem przechodzenia linii światła z zewnątrz, a poza tym po drodze może dojść do powtórnej absorbcji.

2. Przyrządy.

I. Spektroskop.

Schemat spektroskopu: Q - źródło światła, K - kolimator, S - szczelina kolimatora, P - pryzmat, L - lunetka, Sk - pomocniczy tubus ze skalą.

II. Spektorofotometr, „SPEKOL”.

III. Lampy spektralne.

IV. Filtry optyczne.

V. Suwmiarka.

3. Opracowywanie wyników pomiarów.

3.1. Tabela pomiarów i wyników.

Połżenie prążka widmowego	Barwa prążka widmowego	Długość fali odczytana z tabeli [nm]
2	Czerwona (słaba)	706.52
1,9	Czerwona (mocna)	667.81
1,6	Żółta	587.56
1	Zielona	501.57
0,9	Morska	492.19
0,8	niebieska	471.31
0,6	fioletowa	447.15

3.2. Pomiar widm absorbcyjnych za pomocą spektrofotometru “SPEKOL”.

Filtr czerwony			Filtr pomarańczowy
Długość fali [nm]	Transmisja [%]	Ekstynkcja	Długość fali [nm]	Transmisja [%]
400	1	2	400	1	2
450	1	2	520	3	1,8
500	1	2	530	15	0,82
550	1	2	540	65	0,19
600	11	1	550	85	0,06
610	27	0,6	560	95	0,02
620	45	0,36	600	98	0,01
630	61	0,21	>600	100	0
640	76	0,12
650	85	0,06
660	88	0,05
670	90	0,04
680	90	0,04
690	36	0,57
700	91	0,04
710	92	0,03
720	92	0,03
730	94	0,02
750	94	0,02

a) wykres zależności długości fail od transmisji (czerwony dla czerwonego, pomarańczowy dla pomarańczowego)

b) wykres zależności długości fail od ekstynkcji (niebieski dla czerwonego filtra, różowy dla pomarańczowego)

3.3. Wyznaczanie współczynnika k.

k = E/0,4343*l

,gdzie l = 0,2 [cm]

Filtr czerwony		Filtr pomarańczowy
Długość fail [nm]	Współczynnik “k”.	Długość fail [nm]	Współczynnik “k”.
400	23,02	400	23,02
450	23,02	520	20,72
500	23,02	530	9,44
550	23,02	540	2,19
600	11,51	550	0,69
610	6,91	560	0,23
620	4,14	600	0,12
630	2,41	>600	0
640	1,38
650	0,69
660	0,58
670	0,46
680	0,46
690	6,56
700	0,46
710	0,35
720	0,35
730	0,23
750	0,23

Wykres zależności długości fail od współczynnika “k”. (różowy dla pomarańczowego filtra i niebieski dla czerwonego)

4. Wnioski.

Spektroskop nadaje się bardziej do obserwacji widm niż do pomiaru konkretnych wartości ponieważ jest przyrządem bardzo niedokładnym, ponieważ podlega on subiektywnej ocenie osoby wykonującej pomiar.

Natomiast, spektrofotometr pozwala już na dużo dokładniejszy pomiar przepuszczalności światła białego dla danej fali.

Przedział przepuszczanego światła przez filtr pomarańczowy jest mniejszy niż przez filtr czerwony.

L

P

Q

SK

b

a

K

s

Q

---