Paweł Buczek Rzeszów 29. 04. 1999 r.

I BD, gr.W1/Ć1/L2

Zespół nr 4.

Sprawozdanie z laboratorium fizyki

ĆWICZENIE nr 47.

Badanie widma emisyjnego gazów.

Wyznaczanie nieznanych długości.

Zagadnienia do samodzielnego opracowania:

- równanie Maxwella jako podstawa matematycznego opisu propagacji fal elektromagnetycznych

• model atomu w teorii klasycznej

• rodzaje widm ze szczególnym uwzględnieniem widm liniowych.

Promieniowanie elektromagnetyczne można opisać dwojako: jako falę i jako strumień fotonów. Fale elektromagnetyczne - to rozchodząca się w przestrzeni i w czasie spójna zmiana pola elektrycznego i magnetycznego. Fali takiej, jak każdej fali, można przyporządkować długość λ i częstość v; obie te wielkości są ze sobą związane zależnością:

λ = c/v

Widmo promieniowania elektromagnetycznego obejmuje fale o długości od ok. 10^-7 m do ok. 10^-3 m. W tym obszarze mieści się tzw. nadfiolet i promieniowanie widzialne (światło) oraz podczerwień i daleka podczerwień (granicząca z mikrofalami).

Wśród widm promieniowania elektromagnetycznego najprostszy charakter ma widmo liniowe wodoru. Charakterystyczne dla wodoru linie w dziedzinie promieniowania widzialnego H_α, H_β, H_γ, H_δ, za Balmerem, opisać możemy wzorem w postaci:

N = 3, 4, 5....

R_H - stała Rydberga - 10167758 m^-1

Inny sposób opisu promieniowania elektromagnetycznego polega na traktowaniu go jako strumienia cząstek - fotonów, pozbawionych wprawdzie masy spoczynkowej, ale niosących ze sobą ściśle określoną energię E = hv, gdzie v jest częstością, a h stałą Plancka. Kiedy foton pada na cząsteczkę, może być przez nią pochłonięty. Warunek, który muszą spełniać cząsteczka i foton można zapisać:

ΔE_{n m} = E_n - E_m

Oznacza to, że energia jaką ze sobą niesie foton musi być równa różnicy ΔE_{n m} pomiędzy stanami energetycznymi m i n cząsteczki. Jeżeli warunek Bohra jest spełniony, to promieniowanie może zostać pochłonięte - mamy wówczas do czynienia z procesem absorbcji promieniowania. Cząsteczka przechodzi wówczas do stanu o wyższej energii, zostaje wzbudzona. Możliwy jest również proces odwrotny. Wzbudzona cząsteczka może powrócić do stanu niższego, a nadmiar energii zostanie wysłany przez nią w postaci kwantu promieniowania o częstości (i długości) określonej warunkiem Bohra. Taki proces nazywa się emisją promieniowania. Jeżeli dokonamy badania zmian natężenia absorbcji w funkcji długości fali absorbowanego promieniowania to uzyskamy w ten sposób obszar zwany widmem absorbcyjnym badanych cząsteczek. Gdy zmierzymy natężenie emitowanego promieniowania, przez wzbudzone stany cząstek, w funkcji długości fali to otrzymamy widmo emisyjne. Widma mogą być obserwowane dlatego, że energia promieniowania jest pochłaniana (lub wysyłana) przez cząsteczkę.

Warunek Bohra łączy ze sobą energię promieniowania i energię stanów cząsteczki, a ściślej różnicę energii pomiędzy różnymi stanami - zwaną energią przejścia. Widmo ciągłe wysyłają rozżarzone ciała stałe, a widmo liniowe pary atomowe.

Idea układu pomiarowego wiąże się z tym, że różnym rodzajom widm (rotacyjnym, oscylacyjnym i elektronowym) odpowiada inny obszar widma (daleka podczerwień, podczerwień, obszar widzialny i nadfiolet). Każdy z tych obszarów wymaga stosowania innych źródeł, elementów dyspersyjnych i detektorów. Elementy dyspersyjne - przede wszystkim pryzmaty właściwe dla różnych obszarów widm, muszą być wykonane z różnych materiałów, np. z kwarcu do badań w nadfiolecie, z soli kamiennej do badań w podczerwieni.

Do obserwacji i badania widm stosujemy przyrząd zwany spektroskopem.

W ćwiczeniu tym bada się najprostsze widmo jakie dają pobudzone do świecenia gazy jednoatomowe - tj. widmo liniowe. Źródłem światła jest gaz zamknięty w tzw. rurce Pluckera pobudzony do świecenia wyładowaniem elektrycznym z induktora Ruhmkorfa. Źródło światła białego (żarówka) służy do oświetlania skali w spektrometrze.

---