Imię i nazwisko: Joanna Zielińska	Ćwiczenie O4 Widma optyczne
Kierunek i rok studiów: Ochrona środowiska I
			Ocena ze sprawozdania:
Nazwisko prowadzącego zajęcia: dr Migalska-Zalas

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Widma optyczne

Widmo optyczne (spektrum) to obraz uzyskany w wyniku rozłożenia światła niemonochromatycznego na składowe o różnych długościach fal (różnych barwach), np. za pomocą pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej.

Widmo optyczne może być:

• emisyjne - powstałe w wyniku rozszczepienia światła emitowanego bezpośrednio ze źródła

• absorpcyjne - powstałe po rozszczepieniu światła, które przeszło przez obiekt zdolny do selektywnego absorbowania części światła

• odbiciowe - powstałe w wyniku rozszczepienia światła, które wcześniej zostało selektywnie odbite

Widmo optyczne liniowe ma postać jasnych, barwnych prążków na ciemnym tle lub ciemnych prążków na tle widma ciągłego. Na podstawie analizy widma optycznego można prowadzić detekcję występowania pierwiastków chemicznych, a także wielu związków chemicznych, gdyż posiadają one charakterystyczne linie lub obszary absorpcji w widmach optycznych. Analizowaniem tego rodzaju widm zajmuje się nauka zwana spektroskopią.

Widmo optyczne ciągłe emitują pobudzone do świecenia ciała stałe i gazy pod dużym ciśnieniem oraz swobodne atomy i cząsteczki, gdy zachodzą np. procesy fotojonizacji lub fotodysocjacji.

Nazwy barw czystych najdłuższym falom odpowiada barwa czerwona, następnie pomarańczowa, zółtawopomarańczowa (barwa żółta odpowiada niemal ściśle określonej częstotliwości), zielonożółta, żółtozielona, żółtawozielona, zielona, niebieskozielona, zielonkawoniebieska, niebieska, fioletowa, a najkrótszym falom barwa purpurowoniebieska. Mieszaninie fal najdłuższych i najkrótszych odpowiadają (wg malejącego udziału fal krótkich): barwa purpurowa, czerwonawopurpurowa, czerwonopurpurowa, purpurowoczerwona, i wreszcie dla dosyć dużego udziału fal długich barwa czerwona. Poza tym barwa różowa to rozjaśniona czerwona i purpurowoczerwona, a purpuroworóżowa to rozjaśniona czerwonopurpurowa.

Serie widmowe

Seria widmowa to seria wąskich linii widma emisyjnego lub absorpcyjnego zawsze występujących razem i związanych ze sobą mechanizmem powstawania, np.:

• serie K, L, M ... - powstają w wyniku przejścia elektronu na odpowiednie powłoki elektronowe (tzw. powłoki docelowe):

• seria K - odpowiada głównej liczbie kwantowej n=1 (powłoka K): przejścia elektronów z powłok o n=2, 3, 4 ... (n > 1) na powłokę K (n=1)

• seria L - odpowiada głównej liczbie kwantowej n=2 (powłoka L): przejścia elektronów z powłok o n=3, 4, 5 ... (n > 2) na powłokę L (n=2)

• seria M - odpowiada głównej liczbie kwantowej n=3 (powłoka M): przejścia elektronów z powłok o n=4, 5, 6 ... (n > 3) na powłokę M (n=3)

Przykłady serii widmowych to serie widmowe wodoru:

• seria Lymana - seria K (n=1), w dalekim ultrafiolecie,

• seria Balmera - seria L (n=2), widmo widzialne,

• seria Paschena - seria M (n=3), w podczerwieni,

• seria Bracketta - seria N (n=4), w podczerwieni,

• seria Pfunda - seria O (n=5), w podczerwieni,

• seria Humpreysa - seria P (n=6), w podczerwieni,

a także serie obserwowane w obszarze rentgenowskim dla metali ciężkich (metale o dużej liczbie atomowej Z).

Poszczególne linie serii widmowych oznacza się literą określająca serię (K, L, M ...) z indeksem określającym linię w danej serii - kolejnymi literami alfabetu greckiego, w razie konieczności (rozszczepienie widma) dodając jeszcze cyfrę, np.:

• K_α to linia odpowiadająca przejściu elektronu z powłoki n=2 na powłokę n=1

• L_α to linia odpowiadająca przejściu elektronu z powłoki n=3 na powłokę n=2

W danej serii widmowej (określone n orbity docelowej) linie odpowiadające przejściom z orbitali o zbliżonej liczbie kwantowej do orbitalu docelowego (małe n) są wyraźnie oddzielone od innych i mają najniższe w serii energie przejścia (najdłuższe fale). Z kolei linie odpowiadające wysokim n (słabo związane elektrony na zewnętrznych powłokach) zagęszczają się tworząc charakterystyczną krawędź odpowiadającą maksymalnej energii w serii, równej energii wiązania elektronu na powłoce docelowej.

Linie i serie widmowe nakładają się z reguły na widmo ciągłe.

Spektostropia

Jest to nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek. Spektroskopia jest też często rozumiana jako ogólna nazwa wszelkich technik analitycznych polegających na generowaniu widm.

Spektroskopia powstała wraz z rozwojem spektroskopowych technik analitycznych, jej znaczenie wykracza jednak poza same te techniki. Np. dyskusja na temat przyczyn złożoności elektromagnetycznego widma absorpcyjnego atomu wodoru stała się motorem rozwoju teorii kwantowej.

Spektroskopia może dotyczyć zjawisk, obiektów i zakresów, dlatego dzieli się na:

• Spektroskopię promieniowania elektromagnetycznego:

• spektroskopia Ramana

• spektroskopia IR

• spektroskopię UV-VIS

• spektroskopia fourierowska

• spektroskopia rentgenowska

• spektroskopia NMR

• spektroskopia EPR

• spektroskopia dielektryczna

• spektroskopia plazmowa

• dichroizm kołowy

• Spektroskopię dotyczącą substancji (cząsteczek i cząstek):

• spektroskopia elektronowa

• spektroskopia neutronowa

• spektroskopia mas

• spektroskopia sił atomowych

• Spektroskopię fal mechanicznych

• spektroskopia akustyczna

Techniki spektroskopowe dzieli się też ze względu na rodzaj oddziaływania promieniowania z badanym ciałem:

• Spektroskopia inwazyjna - bada widma powstające na skutek niszczenia struktury analizowanej substancji przez przechodzące przez nią promieniowanie. Można tu badać zarówno widma promieniowania powodującego niszczenie po jego przejściu przez substancję, jak i widma produktów rozpadu.

• Spektroskopia absorpcyjna - bada widma powstające po przejściu promieniowania przez warstwę analizowanej substancji.

• ESA - absorpcja ze stanów wzbudzonych

• Spektroskopia emisyjna - bada widma, które emituje badana substancja po poddaniu jej działaniu określonego oddziaływania fizycznego - czasami bada się też widma emitowane spontanicznie.

• Spektroskopia odbiciowa - bada widma, które powstały w wyniku odbicia się promieniowania od powierzchni analizowanej substancji - jej odmianą jest:

• Spektroskopia rozproszeniowa - która bada widma powstałe w wyniku rozpraszania się promieniowania przechodzącego przez gazowe lub cieczowe zawiesiny analizowanej substancji.

Łącząc różne rodzaje promieniowania z różnymi sposobami jego oddziaływania z badaną próbką otrzymuje się rozmaite techniki spektroskopowe. Różne techniki spektroskopowe dają możliwość uzyskania różnych informacji o badanej substancji - od jej składu atomowego, przez jej budowę chemiczną, aż po strukturę jej powierzchni. Techniki spektroskopowe stosuje się masowo w chemii, fizyce, astronomii i w wielu przemysłach.

Spektroskop

Jest to przyrząd służący do przeprowadzania zdalnej analizy poprzez badanie widma. Składa się z poziomej tarczy z podziałką kątową, w której środku jest umieszczony pryzmat, z lunety obracanej wokół tarczy oraz z kolimatora, wyposażonego w źródło światła.

Historia powstania tego przyrządu datuje się na rok 1814, kiedy to Joseph von Fraunhofer przepuścił wiązkę światła najpierw przez szczelinę, a następnie przez trójkątny pryzmat szklany. W wyniku tego zaobserwował kolorowe widmo poprzedzielane serią czarnych prążków. Odkrycie występowania tych linii pozwoliło Gustawowi R. Kirchhoffowi i Robertowi W. Bunsenowi na odkrycie dwóch nowych pierwiastków. Podstawą badania światła przy użyciu spektrometru był palnik Bunsena. Po umieszczeniu w płomieniu palnika kryształów różnych ciał chemicznych płomień zmienia swój kolor. Światło takiego płomienia przepuszczone przez pryzmat rozszczepia się na szereg linii. Kirchhoff stwierdził, że pierwiastki rozżarzone w ten sposób dają charakterystyczny układ linii, co pozwala na opracowanie metody ich identyfikacji. Potwierdzeniem metody były doświadczenia przeprowadzone przez Bunsena i Kirchhoffa z pewnym minerałem, który dawał dziwne linie spektralne. Poszukując w tym minerale nowego pierwiastka dokonali oni odkrycia metalu alkalicznego o właściwościach zbliżonych do sodu i potasu. Nadali mu nazwę cez od łacińskiego słowa niebieski gdyż ten kolor przeważał w jego widmie. W roku 1861 dokonali w analogiczny sposób odkrycia jeszcze jednego metalu alkalicznego - rubidu, którego nazwę wyprowadzili od łacińskiego słowa czerwony zgodnie z barwą jego widma.

Zastosowanie spektroskopu pozwoliło na odkrycie, między innymi, jeszcze jednego pierwiastka związanego z pracami Mendelejewa. Francuski chemik Paul E. Lecoq de Boisbaudran poświęcił 15 lat na badania spektroskopowe minerałów pochodzących z Pirenejów. W roku 1875 odkrył on nowy pierwiastek w rudzie cynku, który nazwał galem od słowa Galia - Francja.

Budowa atomu

Atom to najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii. Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. W jądrze znajdują się z kolei nukleony: protony i neutrony. Neutrony są cząsteczkami obojętnymi elektrycznie, protony noszą ładunek elektryczny dodatni, zaś elektrony ujemny. W każdym obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest jednakowa, ponieważ wartość ładunku elektrycznego protonów i elektronów jest jednakowa. Atomy z liczbą elektronów różną od liczby protonów nazywane są jonami. O właściwościach atomów decyduje głównie liczba protonów w jądrze atomowym, atomy o takiej samej liczbie protonów w jądrze i różnej ilości neutronów są izotopami tego samego pierwiastka chemicznego. Atomy są podstawowymi elementami budującymi materię z punktu widzenia chemii i pozostają najmniejszymi cząstkami rozróżnianymi metodami chemicznymi. Nie zmieniają się w reakcjach chemicznych.

Rozmiary atomów mieszczą się w granicy 10^-10 m, ale nie można ich dokładnie określić z powodów kwantowych. Zależą od rodzaju atomu i stopnia wzbudzenia. Masa ich rośnie w miarę wzrostu liczby atomowej w przedziale od 10^-27 do 10^-25 kg.

Jądro jest kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsze od całego atomu i skupia ono w sobie praktycznie całą masę atomu, gdyż proton i neutron są o ok. 1840 razy cięższe od elektronu. Protony i neutrony mają w przybliżeniu taką samą masę. Powstało wiele modeli jądra atomowego początkowo na gruncie mechaniki klasycznej a następnie kwantowej.

Historia modeli budowy atomów:

• Bhagawatapurana - Śrimad - Bhagavatam: Podstawowa cząsteczka materialnej manifestacji, która jest niepodzielna i nieuformowana,

• Niepodzielna kulka - Demokryt głosił, że atom jest niepodzielną, sztywną, bez struktury wewnętrznej kulką,

• Model rodzynkowy (Thomsona) - odkrycie elektronów zmienia poglądy, teraz atom jest kulką, w której są mniejsze kulki (elektrony), tak jak w cieście są rodzynki,

• Model jądrowy - zwany też planetarnym (model Rutheforda), większość masy i całkowity ładunek dodatni skupiony jest w małej przestrzeni w centrum atomu zwanej jądrem, elektrony krążą wokół jądra,

• Model atomu Bohra - elektrony mogą poruszać się wokół jądra tylko po określonych orbitach, wyjaśnia jak poruszają się elektrony wokół jądra, ale nie podaje przyczyny,

• Model kwantowy (ruchu elektronów wokół jądra) - mechanika kwantowa wyjaśnia, dlaczego elektrony przyjmują określone energie.

• Kolejne modele wyjaśniają budowę jądra atomowego i jego wpływ na własności atomu.

Modele budowy atomu:

1. Model Rutherforta - atomy przypominają miniatury układu słonecznego, elektrony poruszają się wokół jądra: A) jądro, B) elektron.

2. Model Bohra - aby wyjaśnić stabilność atomu wprowadza pojęcie skwantowanych orbit elektronów: A) jądro, B) elektron, C) orbita elektronu.

3. Model Schrodingera - pomysł precyzyjnie określonych orbit elektronów został zastąpiony opisem obszarów przestrzeni (nazywanych orbitalami), gdzie najprawdopodobniej znajdują się elektrony: A) orbital s: elektrony znajdują się w obszarach takich jak ten. Obszar zacieniony pokazuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pewnej odległości

Model budowy atomu Bohra: Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany do jądra siłam elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu". Pierwszym równaniem modelu jest równość siły elektrostatycznej i siły dośrodkowej.

Bohr założył, że elektron może krążyć tylko po wybranych orbitach zwanych stabilnymi, oraz że krążąc po tych orbitach nie emituje promieniowania (mimo, że tak wynikałoby z rozwiązania klasycznego). Atom wydziela promieniowanie tylko, gdy elektron przechodzi między orbitami.

Długość fali elektronu mieści się całkowitą liczbę razy w długości orbity kołowej. Model Bohra, jakkolwiek będący sztucznym połączeniem mechaniki klasycznej i relacji de Broglie'a, daje prawidłowe wyniki nt. wartości energii elektronu na kolejnych orbitach.

Mimo pozornej poprawności modelu zrezygnowano z niego, ponieważ zgodnie z elektrodynamiką klasyczną poruszający się po okręgu (lub elipsie), a więc przyspieszany, elektron powinien, w sposób ciągły, wypromieniowywać energię i w efekcie "spadłby" na jądro już po czasie rzędu 10^-6 sekundy. Fakt, że tak się nie dzieje, nie dawał się wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej. Model Bohra został ostatecznie odrzucony również ze względu na to, że nie dawało go się zaadaptować do atomów posiadających więcej niż dwa elektrony i nie można było za jego pomocą stworzyć przekonującej, zgodnej ze znanymi faktami eksperymentalnymi teorii powstawania wiązań chemicznych.

Analiza widmowa

Jest to dział analizy instrumentalnej, w którym na podstawie charakteru widma, poprzez położenia linii i pasm oraz natężenia, można ustalić skład ilościowy i jakościowy danej substancji.
W roku 1859 Bunsen i Kirchoff odkryli, że pierwiastek w stanie lotnym, w określonych warunkach pobudzony do świecenia, daje tylko sobie właściwe widmo liniowe. Można pokusić się o stwierdzenie, że widmo atomu jest jego „liniami papilarnymi”, które pozwalają na jego bezbłędną identyfikacje i klasyfikację. Każdy pierwiastek daje pewną, większą albo mniejszą liczbę linii widmowych, w określonych barwach. Tak na przykład, wodór atomowy pobudzony do świecenia daje cztery linie widmowe widzialne: czerwoną, niebieską i dwie fioletowe.
Niektóre pierwiastki dotychczas nieznane zostały odkryte właśnie dzięki metodzie analizy widmowej. Historia taka miała miejsce w przypadku odkrycia helu. Najpierw zaobserwowano linie widmowe w widmie Słońca, a dopiero później znaleziono ów pierwiastek na Ziemi. Tą metodą odkryto też prawie wszystkie gazy szlachetne, a także gal, ind i tal, których istnienie jest trudne do stwierdzenia na drodze chemicznej.

Analizę widmową wykorzystuje się w kryminalistyce i medycynie sądowej. Często na miejscu zbrodni zdarza się tak, że sprawca nie pozostawił po sobie praktycznie żadnych widocznych śladów, jednakże zawsze zostają mikroślady. Właśnie do ich badania wykorzystuje się działy spektroskopii. Często dzięki właśnie takiemu mikrośladowi oraz analizie widmowej (oraz pokrewnych jej technik analitycznych) zostaje ujęty sprawca przestępstwa. Użycie tej techniki w medycynie sądowej jest bardzo podobne, z tą różnicą, że owe mikroślady są znajdowane przez patologa na ofierze. Nawet niewielka ilość substancji wystarczy do jej zidentyfikowania dzięki niezwykłym właściwościom widm, budowie atomu, cząsteczek.

Metodę analizy widmowej wykorzystuje się także w technice do badania próbek stopów czy stali, oraz do kontrolowania procesów technologicznych np. podczas wytopu szkła. Metoda ta powszechnie jest również stosowana w geologii i mineralogii do oceny zawartości pewnych pierwiastków w wodzie, rudach czy minerałach.
Najszersze zastosowanie znajduje w dziedzinie sygnałów akustycznych. Szczególne miejsce znajdują tu badania audiometryczne prowadzące do określenia częstotliwościowych charakterystyk słuchu, hałasu, a także akustyki pomieszczeń. Bardzo ważną dziedzinę zastosowań stanowi przetwarzanie sygnału mowy. Z sygnałami akustycznymi są blisko związane badania geofizyczne obejmujące obserwację zjawisk naturalnych (trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów) oraz zjawisk sztucznych związanych z poszukiwaniem surowców, głównie ropy i gazu ziemnego.
Kolejne, to diagnostyka urządzeń technicznych. Obejmuje ona badania stanu maszyn, urządzeń i konstrukcji w celu oceny ich jakości, stopnia sprawności lub zużycia. Ważnym parametrem są tutaj drgania mechaniczne (wibracje). Analiza widmowa wibracji pozwala w porę wykryć stany niesprawności oraz wyeliminować zużyte elementy. Typowym przykładem są tutaj drgania łopatek turbiny w elektrowni.

Analizy widmowe stosowane są również w diagnostyce medycznej. Organizm ludzki jest obiektem generującym wiele sygnałów elektrycznych, które są wykorzystywane w procesie diagnozowania. Do najbardziej znanych należą elektrokardiogram (EKG) oraz elektroencyfalogram (EEG).

Kolejna dziedzina to telekomunikacja oraz telemetria, gdzie często występują sygnały bardzo złożone (modulacja amplitudy, modulacja częstotliwości, modulacje impulsowe). Ostatnio coraz szersze zastosowanie analizy widmowe znajdują również w dziedzinie rozpoznawania obrazów.

CZĘŚĆ OBLICZENIOWA

Długość fal widma lampy wzorcowej:

czerwona mocna	623,4 nm	12,875
żółta bardzo mocna	579,1 nm	13,235
zielona b. mocna	546,1 nm	13,57
niebieska b. mocna	435,8 nm	14,435
fioletowa mocna	404,6 nm	16,35

W doświadczeniu należało stwierdzić, jakie gazy znajdują się w rurkach Geisslera, posługując się jego widmem emisyjnym. Po wykreśleniu krzywej dyspersji i po porównaniu wyników uzyskanych dla poszczególnych gazów można stwierdzić, że w jednej z rurek znajdował się hel, natomiast w drugiej rtęć.

Porównanie pierwszego gazu z helem:

Uzyskane wyniki:	Wyniki z tabeli:
12,75641 [nm] silny czerwony	640 [nm] silny
12,82614 [nm] silny czerwony	614,3 [nm] silny
13,065595 [nm] bardzo słaby	594,5 [nm] bardzo słaby
17,175584 [nm] silny	585,2 [nm] bardzo silny
13,65539 [nm] słaby	540 [nm] bardzo słaby

Porównanie drugiego gazu z rtęcią:

Uzyskane wyniki:	Wyniki z tabeli:
13,2355791 [nm] silny żółty	579,1 [nm] bardzo mocny
13,255769 [nm] silny żółty	577 [nm] bardzo mocny
13,5655461 [nm] bardzo silny zielony	546,1 [nm] silny
14,31491 [nm] słaby	491 [nm] słaby
15,444358 [nm] bardzo silny zielony	435,8 [nm] bardzo mocny
16,244078 [nm] słaby	407,8 [nm] słaby
16,364046 [nm] mocny fioletowy	404,8 [nm] bardzo mocny

Z powyższych zestawień, wynika, że w rurce pierwszej znajdował się hel, natomiast w drugiej rtęć.

---