Pracownia Zakładu Fizyki PL
Imię i nazwisko: Andrzej Wasiuk			Wydział Elektryczny Grupa ED 3.5.
Data wyk. ćwicz. 1998.11.16	Semestr I I I Ćwiczenie 11.1	Temat ćwiczenia: Skalowanie staloskopu i analiza jakościowa stopów metali.
Zaliczenie	Ocena	Data	Podpis

Teoria

ANALIZA SPEKTRALNA

Ciała stałe, ciekłe lub gazowe pobudzone do świecenia wysyłają promieniowanie widzialne, Promieniowanie takie można traktować jako fale elektromagnetyczne charakteryzujące się odpowiednimi częstotliwościami ν drgań wektora elektrycznego E i magnetynego H w czasie ,lub długościami λ w przestrzeni. Posługując się pojęciem wektora świetlnego mamy na myśli wektor elektryczny E, odpowiedzialny za większość zjawisk wywołanych działaniami promieniowania na ośrodki materialne.

Przepuszczając światło przez pryzmat lub siatkę dyfrakcyjną, wbudowane np. w spektrometr, w którym stanowią one elementy dyspersyjne, otrzymujemy widma promieniowania. Najogólniej widma promieniowania dzielimy na emisyjne i absorpcyjne. Widma emisyjne obserwujemy wtedy, gdy światło przepuszczone przez ciało promieniujące (źródło) trafia bezpośrednio do spektrometru. Widmo absorpcyjne powstaje wówczas, gdy światło biegnące ze źródła przechodzi przez ośrodek (np. grubą warstwę gazu) i następnie trafia do spektrometru. Wśród widm zarówno emisyjnych jak i absorpcyjnych wyróżniamy widma ciągłe, liniowe i pasmowe. Widma ciągłe mają postać barwnej wstęgi, w której nawet bardzo dużym rozszczepieniu nie możemy wyodrębnić poszczególnych linii odpowiadających danym długościom fali. Widma takie emitują rozżarzone ciała stałe, ciekłe i bardzo zgęszczone (pod dużym ciśnieniem). Rozkład natężeń w takim widmie określa w przybliżeniu wzór Plancka Zgodnie z prawem Wiena maksimum natężenia promieniowania wraz ze wzrostem temperatury przesuwa się w stronę fal krótkich. Widma pasmowe składają się z szeregu jasnych pasm posiadających wyraźne granice od strony krótkofalowej lub długofalowej. Przy użyciu spektrometrów o dużej zdolności rozdzielczej łatwo stwierdzić, że widma pasmowe składają się z dużej ilości blisko siebie położonych linii, zagęszczających się w stronę granicy każdego pasma. Widma takie otrzymuje się pobudzając do świecenia wieloatomowe cząsteczki związków chemicznych. Cząsteczkom o różnym składzie atomowym odpowiadają odmienne widma. Widma liniowe utworzone są z oddzielnych linii ułożonych w sposób prawidłowy w tak zwane serie widmowe. Widma takie wypromieniowywane są przez gazy i pary jednoatomowe o ciśnieniu około 60hPa. Każdemu pierwiastkowi odpowiada inny układ linii w widmie. Na podstawie znajomości linii widmowych i długości fal im odpowiadających można stwierdzić

jakiemu pierwiastkowi odpowiada promieniowanie tworzące to widmo (tym polega jakościowa analiza spektralna).

Widma absorpcyjne otrzymujemy, gdy na drodze promieniowania o widmie ciągłym umieścimy ciało absorbujące o odpowiednio niższej temperaturze niż źródło światła - tak będzie np, gdy

na drodze światła łukowego ustawimy palnik gazowy, który ogrzewa siatkę nasyconą solą kuchenną. Cząsteczka NaCI w odpowiednio dużej temperaturze dysocjuje termicznie na jony Na⁺ i Cl^-i nad palnikiem powstaje atmosfera atomów sodu. One to pochłaniają ze strumienia światła łukowego fale odpowiedniej długości, których mniejsze natężenie lub zupełny brak obserwujemy w spektrometrze. Ogólnie mówiąc linie absorpcyjne w widmie pochodzącym ze źródła widma ciągłego odpowiadają zawsze tym samym długościom fal, które występują w widmie emisyjnym pierwiastka pochłaniającego, przy czym nie wszystkie linie absorpcyjne mogą występować jako

emisyjne. w 1815r. Fraunhofer wykrył w widmie słonecznym linie absorpcyjne; najwyraźniejsze spośród nich zostały oznaczone kolejnymi dużymi literami alfabetu A, B,C, D, E, F, G, H. Światło

słoneczne jest emitowane z warstwy powierzchniowej - fotosfery o temp. ok. 6000 K. Najniższa warstwa atmosfery Słońca ma temperaturę niższą, niż fotosfera i w niej następuje jakby odwrócenie linii widmowych, tzn. w miejsce linii emisyjnych pojawiają się linie absorpcyjne. Widma absorpcyjne podobnie jak emisyjne występują w postaci widm ciągłych, pasmowych i liniowych.

Kwantowy charakter aktów emisji i absorpcji promieniowania został po raz pierwszy zauważony w 1901r. przez Plancka. Dalszy postęp w teorii kwantów, ugruntowanej badaniami nad zjawiskiem fotoelektrycznym (A. Einstein 1905), stanowiła teoria N. Bohra (1913r.). Bohr przyjął planetarny model budowy atomu, według którego atom składa się z jądra o ładunku + Ze krążących wokół jądra elektronów. Teoria Bohra została uogólniona przez Sommerfelda, który obok kołowych orbit stacjonarnych dopuścił istnienie w atomie eliptycznych orbit elektronów.

2. Ska1owanie sta1oskopu i ana1iza jakościowa stopów meta1i

W ćwiczeniu do pomiarów spektroskopowych używany jest przystosowany do analizy jakościowej stopów metali - spektrometr zwany staloskopem. Staloskop umożliwia badania widma w zakresie 768,2 nm do 404,7 nm. Najmniejsza możliwa do rozdzielenia różnica długości dwu fal ( przy najwęższej szczelinie ) wynosi Δλ = 0,15 nm. Staloskop umożliwia jednoczesną obserwację dwóch widm: ze źródła głównego (badanego) 1 i porównawczego 2. Obydwa widma obserwujemy w okularze - jedno nad drugim. Jeżeli badamy tylko widmo główne, to przez obrót pryzmatu możemy odsłonić całe pole widzenia okularu, Przesuwanie widma względem ostrza skali widocznego w okularze dokonuje się przez obracanie pokrętła śruby w korpusie staloskopu. Pokręcając tą śrubą powodujemy, że wszystkie trzy pryzmaty układu dyspersyjnego obracają się razem o odpowiednie kąty dookoła swoich osi optycznych

Źródłami światła do analizy widmowej są zwykle: płomień, iskra lub łuk elektryczny. Najdawniej znanym źródłem wzbudzenia światła w analizie spektralnej (emisyjnej) jest płomień gazu świetlnego. Wprowadzone do płomienia, (np, gazu świetlnego) cząsteczki soli metali podlegają zderzeniom z cząsteczkami atomami i jonami gazów spalinowych o dużej energii kinetycznej.

Przy odpowiednio wysokiej temperaturze płomienia, następuje dysocjacja. cząsteczek soli na atomy i równoczesne wzbudzenie tych atomów.

2.1 Wykonanie ćwiczenia

Skalowanie staloskopu polega na sporządzeniu wykresu zależności długości fali od położenia linii w widmie (odpowiadającej tej fali na skali staloskopu). Sprowadza się to do wykreślenia zależności λ=f(s), gdzie s jest położeniem na skali staloskopu poszczególnych linii widmowych (w działkach).

Mocujemy elektrody kadmowe, na ich końce wprowadzamy stężony roztwór chlorku sodu. Wykonujemy pomiary obracając bębnem skali staloskopu w dwóch kierunkach. Odczytujemy ze skali wartości odpowiadające liniom badanym. Zmieniamy elektrody na miedziane i powtarzamy pomiary. Wyniki zapisujemy w tabeli.

2.2 Tabele pomiarowe

Lp.	Rodzaj elektrod lub źródła	Barwa linii	Położenie linii na skali s staloskopu przy obracaniu bębna w: Jednym Przeciwnym Średnia kierunku kierunku			Długość fali λ [nm]	Błąd względny pomiaru δ [%]
1	Kadm +NaCl NaCl	Fioletowa(1)	286	286	286	441.46	0.3737598
2		Niebieska (2)	223	223	223	467.81	0.3527073
3		Niebieska (1)	199	199	199	479.99	0.3437572
4		Zielona (3)	152	152.5	152.25	508.58	0.3244327
5		Zielona (2)	120	119	119.5	533	0.3095685
6		Zielona (1)	115	114.5	114.75	537.8	0.3068055
7		Żółta (2)	66	66	66	588.99	0.3310752
8		Żółta (1)	65	65	65	589.39	0.3647839
9		Czerwona (1)	27	27	27	643.84	0.3028703
1	Miedź + NaCl NaCl	Fioletowa(1)	278	278	278	445	0.3707865
2		Niebieska (1)	233.5	234	233.75	464.5	0.3552206
3		Zielona (3)	150	150	150	510	0.3235294
4		Zielona (2)	143	143.2	143.1	516	0.3197674
5		Zielona (1)	135	134.5	134.75	523	0.3154876
6		Żółta (3)	85	85	85	568	0.3433099
7		Żółta (2)	83	84	83.5	571	0.3415062
8		Żółta (1)	75	75	75	579	0.3367876
9		Żółta (2)	66	66	66	588.99	0.3310752
10		Żółta (1)	65	65	65	589.39	0.3647839
11		Czerwona (1)	22	21	21.5	668	0.3517964

Z wykresu λ=f(S) (krzywej dyspersji) odczytuję odpowiadające S długości fali elektrod miedzianych.

Wyniki zapisuję w tabelce.

Na błąd pomiaru mają wpływ:

1. zdolność rozdzielcza staloskopu Δλ`=0,15nm

2. dokładność nastawienia bębna skali s na środek linii Δs``=0,5dz

3. dokładność sporządzania wykresu krzywej dyspersji Δs```=0,5dz

Δs=Δs``+Δs```=1dz

Δλ=Δλ`+Δλ``+Δλ```

Z wykresu λ=f(S) odczytuję wartości Δλ`` i Δλ```. Dla przejrzystości wykresu, zaznaczony jest tylko pomiar 3 (λ = 510nm). Reszta przypadków wyznaczona jest analogicznie.

λ	Δλ``	Δλ```	Δλ=Δλ`+Δλ``+Δλ```
[nm]	[nm]	[nm]	[nm]
445	0.75	0.75	1.65
464.5	0.75	0.75	1.65
510	0.75	0.75	1.65
516	0.75	0.75	1.65
523	0.75	0.75	1.65
568	0.9	0.9	1.95
571	0.9	0.9	1.95
579	0.9	0.9	1.95
588.99	0.9	0.9	1.95
589.39	1	1	2.15
668	1.1	1.1	2.35

2.3 Wykres zależności λ=f(S)

Przykłady obliczeń:

Δλ=Δλ`+Δλ``+Δλ```=0.15nm+ 0.75nm+0.75nm=1.65nm

Wnioski

Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że za pomocą staloskopu można bardzo dokładnie wyznaczyć długości fali nieznanych metali. Krzywa skalowania staloskopu wykonana za pomocą znanej substancji pozwala na dokładne wyznaczanie długości fali. Widać że długości fali chlorku sodu pokryły się, pomiary więc były przeprowadzone prawidłowo i zgodnie z instrukcjami pomiarowymi. Widać że widmo miedzi składa się z 11 linii o następujących długościach fal (w nm) : 445 Fioletowa(1),464.5 Niebieska (1),510 Zielona (3),516 Zielona (2),523 Zielona (1) ,568 Żółta (3), 571 Żółta (2), 579 Żółta (1), 588.99 Żółta (2), 589.39 Żółta (1),668 Czerwona (1). Jest to zgodne z widmami podanymi w instrukcji do ćwiczenia. Błąd bezwzględny wyrażony w procentach nigdy nie przekroczył wartości 0,38% (waha się w granicach od 0.3154876 (dla pomiaru 5) do 0.3707865 (dla pomiaru 1).

Schemat optyczny staloskopu.

1. Główne źródło światła; 2. Porównawcze źródło światła; 3,4 Kondensatory; 5 Pryzmat porównawczego źródła światła; 6. Szybka ochronna; 7. Cztery szczeliny o szerokościach 0,005, 0,01, 0,03, 0,05 mm; 8. Obiektyw kolimatora; 9,11 Pryzmaty rozszczepiające 60`, 10 pryzmat Abego (kąt odchylenia nie zależy od długości fali padającej)

---