06.03.1997r.

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

Ćwiczenie nr. 19.

BADANIE WIDM OPTYCZNYCH PRZY POMOCY SPEKTROSKOPU

Psiuk Cezary gr. 5

Wydział Elektryczny

sem. I 1997 r.

-I) Wstęp teoretyczny:

I.1. Wysyłanie, czyli emisja fal elektromagnetycznych jest wynikiem przemian energetycznych zachodzących w atomach i cząsteczkach. Widmo fal elektromagnetycznych w skali logarytmicznej nie posiada wartości krańcowych (nie ma górnej ani dolnej granicy). Podział tych fal ze względu na długość przebiega następująco:

- promienie
do 10-10 m

- promienie X 10-13 - 10-7 m

- promieniowanie optyczne 10-8 - 10-4 m

- fale radiowe krótkie 10-4 - 102 m

- fale radiowe długie powyżej 100 m

Podział pasm fal elektromagnetycznych nie jest sztywny (poszczególne pasma nachodzą na siebie krańcami).

Pasmo promieniowania widzialnego dla czułego oka mieści się w granicach od 400 nm do 760 nm. Fale krótsze to nadfiolet, dłóższe- podczerwień. Czułość oka ludzkiego jest największa dla długości fali 556 nm (zielonożółta).

I.2. DYSPERSJĄ nazywamy zjawisko rozszczepienia światła na barwy składowe. W pryzmacie rozszczepienie następuje na zasadzie zachowania różnej wartości współczynnika załamania światła dla różnych długości fal. Zjawisko to występuje przy przejściu wiązki światła z ośrodka o danech właściwościach fizycznych do ośrodka o innych waściwościach. Miarą dyspersji (różnej dla różnych ośrodków) jest różnica współczynnika załamania nF - nC długości fal światła fioletowego i czerwonego - określonego przez odpowiednie linie Fraunhofera.

Rozszczepienie światła dokonywane jest na ściance padania wiącki a ścianka druga tylko jeszcze bardziej odchyla już rozszczepione promienie. W wyniku czego, na ekranie otrzymujemy barwną wstęgę zwaną widmem promieniowania.

I.3. Widma emisyjne są to widma ciał świecących. Pobudzenie do stanu świecenia odbywa się przez dostarczenie energii wpostaci ciepła, wyładowenia lub łuku elektrycznego. Emitowane w ten sposób fale zależą od dozwolonych stanów energetycznych danego pierwiastka, budowy chemicznej substancji oraz jej stanu fizycznego.

Światło o widmie ciągłym emitują ogrzane ciała stałe i ciecze. Pobudzone do świecenia pary i gazy dają widmo linowe, które charakteryzują dany pierwiastek. Gazy wieloatomowe dają widmo pasmowe (złożenie widm liniowych).widma te charakteryzują się szeregami linii zagęszczających się w pobliżu tzw. głowicy pasma.

Widma absorbcyjne otrzymujemy przez przepuszczenie wiązki światła białego przez substancję absorbującą. okazuje się, że cząsteczki substancji absorbującej pochłaniają pewne pasma długości fal co widoczne jest na tle ciągłego widma jako ciemne prążki. Dzieje się to na zasadzie pochłaniania przez substancję fal o długości odpowiadającej stanowi energetycznemu atomu wywołującego emisję fali o tej samej długości. Po osiągnięciu stanu emisyjnego substancja rozprasz światło we wszystkich kierunkach.

Widmo fluoroscencji powstaje na zasadzie dostarczania energi za pomocą oświetlania co wywołuje emisję światła. Niektóre substancje fluoroscencyjne potrafią gromadziś energi w swej strukturze chemicznej co objawia się świeceniem. (Zjawisko związane ze wzbudzeniem niskoenergetycznym)

I.4. Przyrządy do badań widm.

Do rozszczepienia światła możemy zastosować dwie metody:

- dyfrakcji - załamania fali na przeszkodzie (siatka dyfrakcyjna).

- dyspersji - ugięcia fali przy przejściu przez granicę dwuch ośrodków.

Ze względu na praktyczne zastosowanie posłużymy się spektroskopem pryzmatycznym, który ma dobrą jakość widma i możliwość obserwacji na tle skali cechowanej widmem helu.

I.5. Istotą analizy spektralnej jest poznanie właściwości chemicznych, fizycznych i energetycznych substancji z których złożony jest otaczający nas świat. Analiza widm pozwala na poznanie zarówno wnętrza atomu jak i całego wszechświata i jego historii.

Metoda analizy spektralnej jest bardzo czuła (przy zastosowaniu profesjonalnego sprzętu). Pozwala w ten sposób wykryć ilość substancji rzędu 10-7 mg (a. w. emisji), 10-8 mg (a. w. absorbcji i fluoroscencji) w 1 cm3.

Lioczbową ocenę błędu szacuje się graficznie z wykresu.

II. Układ pomiarowy:

III. Tabele pomiarów:

1. Sporządzenie krzywej dyspersji (skalowanie spektroskopu).

Nazwa gazu	Barwa linii widma	Położenie linii na skali X	Natężenie linii (słaba, silna, itp.)	Długość fali odczytana z tablic
HEL	ciem. czerwonyczerwonyżółtyxielonyzielonyzielono-niebieskiniebieskiindygo	0.31.55.111.111.412.414.918.5	słabasilnab. silnab. słabasilnasłabasłabasilna	718.5667.8587.6504.8501.6492.2471.3447.1

2. Widma emisyjne.

Nr. rurki z gazem	Barwa linii widmowej	Położenie linii na skali	Natężenie linii	Długość fali odczytana z wykresu [nm]	Nazwa gazu wypełniającego rurkę
1	ci.czr.czerwonypomarańczowyżółtyżół.-zielonyzielonyniebieski	0.40.71.41.61.82.12.22.52.62.82.93.13.33.63.73.94.04.24.54.75.05.25.66.36.88.18.69.5 - 11.214.9	b. słabysłabyb. słabyb. słabyb. słabysilnysilnyb. silnyb. silnyb. słabyb. słabyb. słabyb. słabysłabyb. silnyb. słabyb. słabyb. słabyb. słabyb. słabysłabyb. silnyb. silnyb. słabyb. słabysłabysłabyb. słabyb. słaby	702692671666660653650641639632630626621615612608606602596593588586578565557547531521 - 504471	NEON

3. Widma absorbcyjneNazwa substancji absorbują- cej	Granice pasma pochłaniania				Barwa pasma pochłoniętego	Stopień osłabienia absorbcji
	na skali		w długościach fal
	dolna X1	górna X2	dolna X1 [nm]	górna X2 [nm]
EOZYNA	7.1	>20	555	<430	niebieskifioletowy	dużyduży
CUSO4	<0	4	>716	607	czerwony	duży
	<00.51.218	0.51.22.3>20	>716700676450	700676646<430	ciem.-czerw.czerwonyczerwonyfioletowy	dużyśrednidużyduży

IV. WNIOSKI:

1. Do narysowania krzywej dyspersji posłużyło mi widmo emisyjne HELU (jest ono wyrażne, posiada osiem charakterystycznych linii).

Na osi OX przyjąłem podziałkę odpowiadającą podziałce spektroskopu czyli 10 mm na OX odpowiada 1 jednostce na podziałce spektroskopu. Błąd bezwzgłędny podziałki spektroskopu wynosi +,- 0.1 jednostki co odpowiada błędowi bezwzględnemu na osi OX +,- 1 mm.

Na osi OY określone są długości fal w zakresie od 400 nm do 750 nm gdzie 1mm odpowiada 2nm długości fali. Błąd bezwzględny wynosi +,- 2nm.

2. Na podstawie otrzymanej krzywej dyspersji i położenia poszczególnych linii widma emisyjnego badanej substancji wyznaczyłem przybliżone długości fal. Biorąc pod uwage natężenia linii przeanalizowałem widma emisyjne gazów zawarte w tabeli i wyznaczyłem NEON jako gaz wypełniający rurkę wyładowczą Pluckera.

3. Badając widma absorbcyjne trzech cieczy (Eozyny, CUSO4, ) otrzymałem charakterystyczne dla cieczy widma pasmowe występujące jako smugi na widmie światła białego.

Z pomiarów wynika iż, Eozyna pochłania fale od 555 nm i krótsze (niebieski i fioletowy). CUSO4 pochłania fale dłuższe od 607 nm (czerwony i ciemno-czerwony). pochłania trzy pasma. W dużym stopniu pochłaniane są pasma ciemno-czerwone (do 700 nm), czerwone (676 - 646 nm) i fioletowe (krótsze od 450 nm). Pasmo czwarte czerwone (700 - 676 nm) jest średnio osłabione.

---