Laboratorium fizyki CMF PŁ

dzień 5.05.2014 godzina 8.15-10.15 grupa 1

wydział BiNoŻ kierunek TŻiŻC

semestr II rok akademicki 2013/2014

W4 Badanie widm spektroskopowych różnych źródeł światła
kod ćwiczenia tytuł ćwiczenia

Daria Woźniak
numer indeksu 190780

Sara Nastałek
numer indeksu 190724

Barbara Sroka
numer indeksu 190755

ocena ____

WSTĘP TEORETYCZNY

Spektroskopia, dział fizyki atomowej i jądrowej oraz chemii atomowej badający struktury energetyczne (budowę i właściwości) cząsteczek, atomów, jąder atomowych i cząstek elementarnych (w historycznym znaczeniu nazwy) poprzez obserwację i analizę rozkładu energii (widm) promieniowania emitowanego, pochłanianego lub rozpraszanego przez dany obiekt fizyczny.

Spektroskopia dzieli się wg rodzaju badanego promieniowania na:

• radiospektroskopię,

• spektroskopię mikrofalową,

• spektroskopię optyczną (z podpodziałem na spektroskopię promieniowania podczerwonego, spektroskopię światła widzialnego i spektroskopię promieniowania ultrafioletowego),

• spektroskopię rentgenowską,

• spektroskopię promieniowania gamma,

• spektroskopię promieniowania beta,

• spektroskopię promieniowania alfa,

• spektroskopię neutronową.

Istnieją też rodzaje spektroskopii wyodrębnione ze względu na badany obiekt, np. spektroskopia:

• kryształów,

• molekularna (z dalszym podziałem - np. spektroskopia elektronowa związków aromatycznych, spektroskopia elektronowa związków kompleksowych, itp.),

• atomowa,

• jądrowa,

• subjądrowa.

Podział, ze względu na rodzaj energii wywołujący przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi, obejmuje spektroskopię:

• elektronową,

• oscylacyjną,

• rotacyjną,

• elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR),

• magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).

Termin spektroskopii można odnosić również do badania poszczególnych zjawisk (np. spektroskopia zjawiska Mössbauera, spektroskopia zjawiska Ramana, spektroskopia emisyjna, spektroskopia absorpcyjna itp.) lub innych rozkładów (np. spektroskopia masowa - badanie rozkładu mas atomów, inaczej widma masowego).

Podstawowym narzędziem spektroskopii jest odpowiedni dla danego rodzaju promieniowania spektroskop (ewentualnie spektrometr lub spektrograf). Jeśli badane widma są przedmiotem pomiarów, to w każdym znaczeniu termin spektroskopii można zastąpić terminem spektrometria.

Każdy pierwiastek ma charakterystyczne dla siebie widmo atomowe powstające w wyniku pobudzenia elektronów. Atom w stanie wzbudzonym po krótkim czasie wraca spontanicznie do stanu podstawowego lub stanu niżej wzbudzonego, emitując przy tym promieniowanie o charakterystycznej długości fali. Powstaje w ten sposób emisyjne widmo liniowe właściwe dla danego pierwiastka.

Układ linii w widmie liniowym można wyjaśnić na podstawie postulatów Bohra. Jeden z nich mówi o tym, że elektron w atomie danego pierwiastka, może pochłonąć foton, którego energia E=hν odpowiada dokładnie różnicy energii określonych poziomów energetycznych. Wówczas elektron znajdzie się na poziomie energetycznie wyższym, a „spadając” z niego na poziom energetycznie niszy, odda energię w postaci fotonu o długości fali odpowiadającej różnicy tych poziomów. Kombinacja wszystkich możliwych przejść z poziomów energetycznie wyższych na niższe odpowiada za po-wstawanie linii lub pasm w widmie spektroskopowym danego pierwiastka. W spektroskopii bada się również widma absorpcyjne. Powstają one w wyniku przejścia promieniowania (o widmie ciągłym) przez środowisko absorbujące określone długości fal – w zależności od rodzaju atomów absorbujących. W widmie absorpcyjnym występują na tle widma ciągłego ciemne linie (brak promieniowania o danej długości) w miejscach, w których w widmie emisyjnym absorbującego ośrodka pojawiłyby się jasne (kolorowe) linie.

CEL DOŚWIADCZENIA

Ćwiczenie polegało na praktycznym pomiarze widm emisyjnych różnych źródeł światła oraz analizy i porównaniu tych widm.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Doświadczenie prowadzone było po zapoznaniu się z opisanymi zagadnieniami i po dokładnym sprawdzeniu, czy urządzenia (spektrometr podłączany do komputera za pomocą USB oraz światłowód, za pomocą którego analizowane światło przekazywane jest do spektrometru) są odpowiednio podłączone, a także sprawdzenie, czy komputer przy naszym stanowisku posiada oprogramowanie do spektrometru Logger Pro, zaczęłyśmy dokonywać pomiarów widm emisyjnych różnych źródeł światła.

1. Światło dzienne

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,730	485,8	turkusowa	3,7
0,778	512,0	zielona	2,0
0,858	608,7	pomarańczowa	2,9
0,854	644,2	czerwona	3,0

1. Żarówka 1

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,460	692,0	czerwona	3,0
0,448	668,0	czerwona	3,0
0,321	593,9	żółta	2,9

1. Żarówka 2

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,572	611,7	pomarańczowa	2,9
0,805	547,0	zielona	3,0

1. Żarówka 3

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,400	547,0	zielona	3,0
0,417	611,7	pomarańczowa	2,9

1. Żarówka 4

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,172	659,1	czerwona	2,9
0,177	689,0	czerwona	3,0

1. Żarówka 5

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,144	448,3	niebieska	3,7
0,136	573,3	żółta	2,9

1. Żarówka 6

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,020	437,0	niebieska	3,7
0,060	547,0	zielona	2,9
0,065	579,2	żółta	2,9

1. LED czerwony

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,018	624,4	pomarańczowa	3,0
0,019	635,4	pomarańczowa	2,9

1. LED pomarańczowy

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,002	585,0	żółta	3,0
0,002	596,9	żółta	2,9
0,002	635,4	pomarańczowa	2,9
0,002	689,0	czerwona	3,0

1. LED zielony

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,0013	555,8	zielona	2,9
0,0015	629,4	pomarańczowa	3,0
0,002	689,0	czerwona	3,0

1. LED niebieski

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,0021	433,3	niebieska	3,7
0,0019	463,3	błękitna	3,6
0,0016	665,0	czerwona	3,0

1. LED fioletowy

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,00159	596,9	pomarańczowa	2,9
0,00164	689,0	czerwona	3,0
0,00157	716,6	czerwona	3,1

1. LED biały

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
0,081	459,5	niebieska	7,5
0,066	573,3	żółta	2,9

1. Żarówka przezroczysta (małe natężenie, duże natężenie)

Względne natężenie danego maksimum [-]	Położenie maksimum długości fali [nm]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
wartości dla małego natężenia
0,0016	596,9	pomarańczowa	2,9
0,0017	641,3	czerwona	3,0
0,0021	689,0	czerwona	3,0
wartości dla dużego natężenia
0,0041	596,9	żółta	2,9
0,0070	689,0	czerwona	3,0
0,0077	707,0	czerwona	3,1

WNIOSKI

• Światło dzienne, czyli widmo Słońca po rozszczepieniu takiego promieniowania przez pryzmat otrzymujemy widmo ciągłe z szeregiem ciemnych linii. tzw. widmo absorbcyjne. Jest ono odwróceniem widma emisyjnego. Nie ma dwóch takich samych linii u różnych pierwiastków.

• Żarówka 1 charakteryzuje się widmem ciągłym z maksimum natężenia rozciągającym się w kierunku czerwieni (>600nm). Z otrzymanych danych wywnioskować można, że odpowiedzialny za widzialne linie widm jest pierwiastek rtęci.

• Żarówki 2 i 3 energooszczędne podczas obserwacji miały kolor niebieski, błękitny, turkusowy, zielony, żółty, pomarańczowy oraz czerwony. Żarówki zawierają atomy neonu, baru.

• Żarówka 4 dała nam obraz maksimum na tle koloru czerwonego, co potwierdziło obecność neonu.

• Żarówka 5 posiadała maksimum na obszarze koloru niebieskiego. Kolor ten zasygnalizował nam obecność atomu argonu.

• Podczas obserwacji zachowania czerwonej ciemnej diody LED zauważyłyśmy maksimum na obszarze koloru pomarańczowego. Świadczy to o obecności atomu neonu.

• Czerwona dioda LED ukazała nam kolor pomarańczowy, co świadczy o obecności atomu neonu.

• Pomarańczowa dioda LED pokazała kolor żółty, co świadczy o obecności pierwiastka rtęci.

• Zielona dioda LED ukazała nam zielony kolor widma. Kolor zielony dał nam potwierdzenie obecności pierwiastka argonu w diodzie.

• Niebieska dioda LED ukazała nam niebieski kolor widma, co świadczy o obecności pierwiastka rtęci.

• Fioletowa dioda LED pokazała kolor niebieski, który zasygnalizował nam obecność rtęci.

• Świetlówka ukazała kolor niebieski i błękitny. Za widoczność tych kolorów odpowiedzialny jest pierwiastek rtęci.