Jakub Sito dr J. Girulska

II rok fizyki

czwartek 15:30

Ćwiczenie nr 66

Analiza widmowa za pomocą spektroskopu

I Zagadnienia teoretyczne.

Zjawisko dyspersji światła w szkle znajduje zastosowanie praktyczne do rozczepiania światła. Światło białe przechodzące przez pryzmat (bryła ograniczona dwoma płaszczyznami tworzącymi kąt γ, inne płaszczyzny dowolne) ulega rozczepieniu na barwy: czerwoną, pomarańczową, żółtą, niebieską, indygo i fioletową. Światło o poszczególnych barwach różni się długością fali. Cały zakres światła widzialnego mieści się w przedziale 0,63-0,40μm. Obraz otrzymany na skutek rozczepienia światła białego nazywamy widmem. W przypadku, gdy poszczególne barwy widma przechodzą w sposób ciągły jedna w drugą, widmo nazywamy widmem ciągłym. Widmo ciągłe otrzymujemy rozczepiając światło wysyłane przez ciała stałe i ciekłe podgrzane do wysokiej temperatury.

W przypadku, gdy źródłem światła są gazy jednoatomowe, widmo składa się z pojedynczych prążków barwnych, których ilość i położenie jest inne dla każdego gazu. Zatem widmo pozwala zidentyfikować atomy wysyłające światło. Z tego powodu sposób identyfikacji atomów oparty o analizę widma nazywamy analizą widmową. Chcąc wykonać analizę widmową musimy znać dokładnie długości fal poszczególnych linii. Długość fal określić możemy z położenia poszczególnych linii znając dla danego spektrometru tzw. krzywą dyspersji, czyli zależność długości fali od położenia linii mierzonego w sposób umowny. Celem wyznaczenia przebiegu krzywej dyspersji określamy położenie linii pierwiastka o znanym widmie.

Gazy o cząsteczkach dwu- i wieloatomowych dają widma pasmowe, w których nie występują pojedyncze linie o określonej jedne tylko długości fali, lecz pasma na przemian jasne i ciemne. Widma pasmowe otrzymujemy również w przypadku fotoluminescencji, czyli świecenia wzbudzonego innym światłem np. żarówką oświetlającą z boku ciało, które widmo badamy.

Światło białe przechodzące 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; w miejscach w których występują linie emisyjne pierwiastka tworzącego pary, w widmie ciągłym istnieją przerwy. Widmo wtedy nazywamy widmem absorpcyjnym. Widmo absorpcyjne może również posłużyć do identyfikacji pierwiastków.

W przypadku widm luminescencyjnych często widmo absorpcyjne nie pokrywa się z widmem emisyjnym, pasma emisyjne są bardziej długofalowe. Dzieje się tak dlatego, że energia kwantu absorbowanego
musi być większa lub równa energii kwantu emitowanego
, czyli:

ponieważ
otrzymujemy
.

Widma optyczne możemy podzielić również ze względu na budowę (jako obraz):

- widmo liniowe - składające się z pojedynczych linii; źródłem takiego widma są najczęściej pary i gazy, a samo widmo charakteryzuje pierwiastki,

- widmo pasmowe - składające się z regularnych pasm linii widmowych; emitowane jest przez gazy wieloatomowe,

- widmo ciągłe - układ linii przechodzących jedna w drugą w sposób ciągły bez żadnych przerw; powstają przy ciałach stałych, cieczach i bardzo zagęszczonych gazach.

Budowa atomu w aspekcie analizy widmowej

Ponieważ emisja promieniowania ma źródło w zmianach energetycznych w obrębie atomów lub drobin, dokładne badania widm pozwoliły na wyciągnięcie szeregu wniosków dotyczących budowy atomów i drobin.

Za wysyłanie energii w gazie atomowym są odpowiedzialne zewnętrzne elektrony powłoki atomowej. Atom może promieniować tylko wtedy, gdy znajduje się w stanie wzbudzonym, tzn. gdy jakiś zewnętrzny bodziec (np. dostarczenie energii cieplnej, elektrycznej itp.) spowoduje przeniesienie jednego z elektronów powłoki atomu z niższego poziomu energetycznego na wyższy. Gdy elektron ten wraca na jeden z poziomów niższych, wysyła odpowiedni nadmiar energii w postaci kwantu promieniowania
, każdemu zaś kwantowi odpowiada określona długość fali
. Ponieważ w każdym ciele pobudzonym do świecenia znajduje się olbrzymia liczba atomów tego samego pierwiastka, różne atomy wysyłają kwanty o różnych częstościach, możemy więc jednocześnie obserwować wszystkie linie należące do widma tego pierwiastka.

Spektroskop

Do dokładnego badania widm służą specjalne przyrządy spektralne, pozwalające na wydzielanie z całego widma poszczególnych barw promieni, wyznaczanie ich długości fali oraz energii promieniowania. Do badań jakościowych widzialnej części widma służy spektroskop dostosowany do obserwacji wizualnej. Zasadniczą częścią spektroskopu jest pryzmat P, który dokonuje analizy badanego światła, rozkładając je na poszczególne barwy monochromatyczne. Pozostałe części składowe, to kolimator K ze szczeliną i soczewką, służący do otrzymywania wiązki promieni równoległych, luneta L do bezpośredniej obserwacji widma okiem i tubus ze skalą Sk. Bieg promieni w spektroskopie przedstawia schematycznie rysunek 1.

Źródło światła badanego umieszczamy przed regulowaną szczeliną kolimatora K. Szczelina znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej soczewki obiektywu umieszczonej na drugim końcu tubusa tak, że wiązki światła wychodzące w poszczególnych punktach szczeliny stają się równoległe po przejściu przez obiektyw kolimatora. Wiązki te zostają załamane i rozczepione na monochromatyczne wiązki promieni przez pryzmat, umieszczony na stoliku spektroskopu. Promienie o każdej określonej długości fali tworzą swoją wiązkę równoległą, poszczególne zaś wiązki równoległe o różnych wartościach λ są względem siebie rozbieżne. Te związki światła trafiają do lunety, która skupia każdą w odpowiednim punkcie swojej płaszczyzny ogniskowej. Ponieważ dotyczy to każdego punktu szczeliny, więc w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu lunety otrzymujemy szereg równoległych różnie zabarwionych obrazów szczeliny (tzw. linii widma), które obserwujemy, jak przez lupę, przez okular lunety. Mogą się one ze sobą zlewać tworząc widmo ciągłe.

Skala spektroskopu składa się z delikatnych równoległych linii naniesionych na płytce przezroczystej i znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej soczewki osadzonej w dodatkowym tubusie Sk. Tubus jest tak umieszczony, że wychodzące z soczewki wiązki, odpowiadające poszczególnym punktom skali, odbijają się częściowo od powierzchni i wchodzą do lunety. Obserwator widzi więc w lunecie linie widmowe na tle obrazu skali i może odczytać położenie każdej linii. Pryzmat spektroskopu (wykonany ze szkła flintowego o znacznej dyspersji) jest ustawiony na minimum odchylenia (co w pewnym stopniu umożliwia sprowadzenie do minimum wpływu aberracji optycznych układu na jakość widma). Luneta składa się z 3 przesuwalnych części i jest osadzona na gwincie we wsporniku, z którego można ją wykręcić (czynność potrzebna przy ustawianiu lunety na nieskończoność). Dzięki dużej dyspersji szkła pryzmatu całe widmo widzialne nie mieści się w polu widzenia lunety, można ją zatem obracać koło pionowej osi stolika po uprzednim zluźnieniu śruby zaciskowej.

Rys. 1. Schemat spektroskopu: Q - źródło światła, K - kolimator, S - szczelina kolimatora, P - pryzmat, L - lunetka, Sk - pomocniczy tubus ze skalą.

II Pomiary.

Ustawiono kolimator spektroskopu pod kątem ok. 30° do ścianki do pryzmatu, następnie oświetlono szczelinę kolimatora światłem helu, a skalę umieszczoną w tubusie - żarówką oświetlającą. Zamocowaliśmy tubus czyli dokręciliśmy jego śruby. Spisano położenia linii widmowych dla pierwiastka helu, a następnie te same pomiary wykonano dla dwóch nieznanych pierwiastków.

III Obliczenia.

Z tabel odczytano długości fal linii widmowych dla wzorcowego źródła światła (helu). Sporządzono wykres (Wykres 1.) zależności położenia linii widmowych na skali lunetki spektroskopu od długości ich fal, czyli krzywą dyspersji liniowej, dla helu. Następnie określono długość linii wszystkich badanych widm, a dalej - zidentyfikowano pierwiastki.

Pierwiastek	Położenie	Długość fali z tablic [nm]	Długość fali z wykresu [nm]
hel	11,9	447,15
	10,3	471,31
	9,2	492,19
	8,7	501,57
	5,6	587,56
	3,7	667,81
	3	706,52
neon	7,3	534,1	537,27
	7,1	540,0	542,56
	5,6	585,2	587,75
	5,4	594,5	594,68
	5,1	603,8	605,56
	5	608,5	609,33
	4,2	640,2	642,53
	4	650,5	651,82
	3,8	659,9	661,59
	3,2	692,8	694,31
	3,1	702,4	700,36
rtęć	14	411,52	413,27
	7	546,07	545,26
	6	576,96	574,61

V. Ocena błędów

Błędy, jedynie dla wartości położenia linii widmowych na skali lunetki, zaznaczono na wykresie. Błąd nie dotyczy wartości długości fali, ponieważ były one odczytane z tablic.

Do wykresu krzywej dyspersji dodano trzy proste styczne do krzywej, za pomocą których można obliczyć dyspersję liniową pryzmatu. Następnie policzono wartości dyspersji dla punktów stycznych z prostą.

nr	długość fali [nm]	tg kąta nachylenia	dyspersja 1/tg kąta nachylenia
1	587,56	-34,074	-0,029
2	501,57	-21,731	-0,046
3	667,81	-51,525	-0,019

V. Wnioski

Porównując wyniki z przeprowadzonego doświadczenia możemy stwierdzić, że światło o barwie fioletowej ma najmniejszą dyspersję co do wartości bezwzględnej, a światło czerwone - największą. Jest to zgodne z naturą pryzmatu, gdzie światło fioletowe jest załamywane pod najmniejszym, a światło czerwone - pod największym kątem.

Podczas wykonywania doświadczenia zaistniały duże trudności ze znalezieniem niektórych prążków widma, były one słabo widoczne, i co za tym idzie - trudności w odczycie wartości na skali lunetki spektroskopu. Później podczas opracowywania wyników zauważono dużą rozbieżność między wartościami długości fal odczytanymi z krzywej dyspersji liniowej a danymi pobranymi z tabel fizycznych.

---