Cel zadania.

Celem ćwiczenia jest badanie widm spektroskopowych różnych źródeł światła oraz analiza i porównanie tych widm.

Krótki wstęp teoretyczny.

By udało nam się przeprowadzić owe doświadczenie, musieliśmy wgłębić się w kilka pojęć zwiazanych ze spektroskopią, a więc i ze spektrometrem.Spektroskopia to dział fizyki doświadczalnej i teoretycznej obejmujący badanie i interpretację widma promieniowania elektromagnetycznego emitowanego, pochłanianego lub rozpraszanego przez cząsteczki, atomy i jądra atomowe.

Zasada działania spektroskopu jest bardzo prosta. Sercem urządzenia jest pryzmat a więc, spektroskop wykorzystuje zjawisko dyspersji. Dyspersja polega na zmianach katą załamania się światła podczas przejścia z jednej substancji przezroczystej do drugiej, w zależności od jego długości. Jeżeli przepuścimy przez pryzmat światło białe uzyskamy „tęczę”- nazywaną profesjonalnie widmem. Dzieje się tak ponieważ światło białe jest mieszanką wszystkich długości światła.

Spektroskop to najprostsze urządzenie które wykorzystuje widma do identyfikacji substancji. Składa się on jeszcze z kolimatora ( prosty przyrząd optyczny, przetwarzający padające światłolub strumień cząstekw równoległą wiązkę, którą następnie kieruje na pryzmat ) i obracającej się wokół tarczy lunety -poprzez obserwację widma przez lunetę dokonujemy pomiaru . Jeżeli obserwator dostrzeże kolorowy prążek notuje kąt lunety, który następnie można zamienić na długość fal. Efektem takiego pomiaru jest zbiór długości fal świetlnych na podstawie których można zidentyfikować źródło światła.

W powyższym opisie użyliśmy pojęciawidma, które możemy podzielić na:

*Ze względu na wygląd widma:

-widmo ciągłe, czyli tęcza bądż jej fragmenty,

-widmo liniowe- składa się z pojedynczych białych prążków; takie widmo związane jest z rodzajem atomów, z których składa się badana substancja,

-widmo pasowe-ma postać szerszych barwnych pasów lub bardzo gęsto położonych prążków, a jego powstanie jest związane nie z energiami pojedynczych atomów, a z energiami cząsteczek.

*Ze względu na sposób powstawania:

- widmoemisyjne,

-widmo absorpcyjne.

Najpierw jednak, musieliśmy wyjaśnić, dlaczego każdy atom emituje inne widmo. Pomógł nam w tym model budowy atomu według Bohra, który opisuje odważne postulaty dotyczące atomów. Mimo, że sprawdziły się one jedynie ( i to nie do końca!) dla wodoru, pomogły nam w doświadczeniu, gdyż tłumaczą jak powstają widma spektralne.

Bohr uznał, że elektrony poruszają się na orbitach kołowych wokół dodatniego jądra i, że ich energia jest skwantowana- cząstki ujemne mogą poruszać się tylko po orbitach, przy których orbitalny moment pędu L spełnia warunek:

L= n*h/ 2 pi, gdzie h- stała Plancka.

Kolejny z postulatów mówi o tym, że elektron może pochłonąć foton (jest on porcją energii elektromagnetycznej), którego energia E=hv odpowiada dokładnie różnicy energii określonych poziomów energetycznych. Warto wspomnieć, iż równie ważny jest zakaz Pauliego, który mówi,że dwa elektrony nie mogą się poruszać po tej samej orbicie.

Podczas omawiania zagadnień powiązanych z naszą pracą, trzeba wspomnieć o liczbach kwantowych, które opisują stan elektronu w atomie. Wyróżniamy:

-główną liczbę kwantową (n)- odpowiada głównym poziomom energii : n=1,2,3,… (liczby naturalne bez 0),np.:3s1 -> n=3,

-poboczną liczbę kwantową (l)- odpowiada pod-poziomom energii: l=0,1,2,3,… (liczby naturalne z 0);

Ilość pod-poziomówzależy od tego, który z poziomów głównych weźmiemy pod uwagę, np.: n=3, to wtedy l=0; warunek:0 ≤ l ≤ (n -1),

-magnetyczną liczbę kwantową (m)-określa poziom orbitalny, na którym znajduje się elektron. Przyjmuje wartości od –l do +l, np.: m=0 i l=0,

-magnetyczną spinową liczbę kwantową (ms)- określa spin elektronu. Przyjmuje wartości ½ dla elektronu ze spinem „do góry” i –½ dla elektronu o spinie „ w dół”.

Warto wiedzieć, co nazywamy emisją i absorpcją.

Emisja- to wysyłanie przez wzbudzony układ fizyczny (np. atom, jądro atomowe, ciało makroskopowe) energii w postaci promieniowania zarówno fal (np. światła, fal radiowych, dźwięku), jak i korpuskularnego (np. elektronów, cząstek α, fotonów).

Widmo emisyjne powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym (elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało) będąc wzbudzonymi, przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów między, którymi przeszła cząstka.W widmie tym powstają kolorowe linie na tle widma ciągłego.

Podczas przechodzenia fal elektromagnetycznych przez ośrodek materialny część jego

energii zamieniana jest w sposób nieodwracalny na inne formy energii. Ten proces nazywa się absorpcją, czyli pochłanianiem.

Widmo absorpcyjnepowstaje przy przenikaniu promieniowania ( o widmie ciągłym)przez materię dla niego przezroczystą(absorbującą określone długości fal). W widmie tym powstają na tle widma ciągłego czarne linie.Warto również wspomnieć o widmie światła białego- jest to widzialna przez człowieka część zakresu fal elektromagnetycznych w postaci kolorów (zależnych od długości fali) od fioletu i niebieskiego, przez zielony i żółtyaż do czerwonego. Występowanie tych barw razem tworzy pozór światła białego.

Atom posiada szereg poziomów energetycznych. Stan o najniższej energii czyli taki, w którym zbiór elektronów otaczających jądro przyjmuje najmniejszą możliwą wartość energii nazywa się stanem podstawowym atomu, pozostałe zaś stanami wzbudzonymi. Na rysunku przedstawiono schematycznie rozkład poziomów energetycznych w atomie wodoru.

Po zapoznaniu się z powyżej 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, zaczęliśmy dokonywać pomiarów widm następujących źródeł: -żarówki kompaktowej, - świetlówki, -żarówki ledowej, - żarówki halogenowej, -żarówki mlecznej, -żółtej diody.

Wyniki wszystkich pomiarów zamieściliśmy w tabelce, której wzór zamieszczony był w instrukcji. Oto ona:

Źródła Światła	Położenie maksimum długości fali [nm]	Względne natężenie danego maksimum [-]	Barwa [-]	Szerokość „piku” [-]
Żarówka	437 nm	0,123 rel	Niebieski	15 nm
kompaktowa	489,5 nm	0,135 rel	Błękit	11,2 nm
(energooszczędna)	547 nm	0,831 rel	Jasnozielony	8,1 nm
	588 nm	0,243 rel	Żółty	7,9 nm
	611,7 nm	0,959 rel	Pomarańczowy
	653,1 nm	0,083rel	Czerwony
	689 nm	0,057rel	Ciemnoczerwony
	710,1 nm	0,125 rel	Ciemnoczerwony	9,5 nm
Żarówka zwykła	692 nm	0,702 rel	Czerwony
(mleczna)	602,8 nm	0,497 rel	Jasnopomarańczowy

Żarówka	698 nm	0,0458 rel	Czerwony
halogenowa	605,8 nm	0,350 rel	Jasnopomarańczowy
Żarówka ledowa	452 nm	0,197 rel	Ciemny błękit
	555,8 nm	0,159 rel	Jasnozielony
Świetlówka	437 nm	0,190 rel	Granatowy
	547 nm	0,370 rel	Jasnozielony
	579,2 nm	0,339 rel	Żółty
Żółta dioda	698 nm	0,173 rel	Czerwony

Następnie zaczęliśmy opisywać wygląd widma dla każdego z badanych źródeł światła, z uwzględnieniem zaobserwowanych szerokości „pików”. Oto one:

Żarówka kompaktowa

W obrazie widma można zaobserwować dwa górujące (o intensywności ponad 0,8 rel) piki o maksimach w szerokości 547nm i 611,7nm-ich szerokości to odpowiednio 8,1nm oraz 7,9nm. Oprócz 2 w/w pików w obrazie można także zaobserwować serię małych pików (intensywność nie przekracza 0,25 rel)o maksimach w szerokościach 437nm, 489,5nm, 710nm o odpowiednich szerokościach 15nm, 11,2nm 9,5nm.

Ogólnie obraz widma jest dość chaotyczny, intensywności danych szerokości światła raz zbliżają się do zera, raz pikują do prawie 100%.

Świetlówka

Obraz widma światła ze świetlówki jest już bardziej stonowany. Można tu zaobserwować

trzy intensywniejsze punkty na szerokościach 437nm, 547nm, 579,2nm. Ich intensywności

to odpowiednio 0,19rel, 0,37rel, 0,339rel. Gdy się dokładniej przyjrzymy można zauważyć, że szczytowania występują w podobnych szerokościach, co przy żarówce kompaktowej tj. 437nm oraz 547nm z tym, że przy znacznie mniejszej intensywności światła.

Żarówka LED

Obraz widma żarówki LED jest już zupełnie inny. Możemy tutaj zauważyć dwie fałdy

o maksimach 452nm oraz 555,8nm przy słabej intensywności 0,197 oraz 0,159 rel.

Żarówka halogenowa

Obraz widma jest stonowany przy niskich szerokościach. Intensywność światła jest prawie

równa zeru po to, by wraz z wzrostem szerokości mogła wzrastać-aż do szerokości 605,8nm- gdzie światło osiąga intensywność 0,35rel . Następnie intensywność nieznacznie spada, po to

by na nowo zacząć rosnąć aż do szerokości 692nm gdzie osiąga 458rel. Po osiągnięciu wyższych szerokości intensywność światła zaczyna intensywnie spadać.

Żarówka mleczna

Obraz widma żarówki mlecznej przypomina obraz żarówki halogenowej, z tym że intensywności

w szczytach są znacznie większe. Tak jak poprzednio intensywność wzrasta wraz z szerokością, pierwsze maximum obserwujemy przy szerokości 602,8nm, gdzie osiąga intensywność 0,497rel. Drugie maximum widmo osiąga przy 692nm i wynosi ono 0,702rel. Przy wyższych szerokościach intensywność zaczyna szybko spadać .

Żółta dioda

Widmo żółtej diody jest dość słabe, podobnie jak w przypadku żarówki halogenowej oraz mlecznej.

Intensywność światła wzrasta wraz z szerokością osiągając jedno maksimum w punkcie

698nm a jego intensywność wynosi tylko 0,173rel. Po osiągnięciu wyższych szerokości intensywność

światła zaczyna się zmniejszać.

Następnie opisaliśmy różnice i podobieństwa między widmami różnych źródeł światła.

Lp.	Nazwa żarówki.	Obraz widma.	Ilość pików.	Intensywność światła, a wyższe szerokości.	Źródło otrzymanych widm.
1.	Żarówka kompaktowa	Dość chaotyczny.	Posiada 2 górujące piki.	Chaotycznie wzrasta oraz maleje wraz ze wzrostem szerokości.	Rtęć, Neon.
2.	Świetlówka	Dość stonowany.	Brak.	Wzrasta wraz ze wzrostem szerokości, po osiągnięciu 3 maksimum zaczyna spadać.	Rtęć, Neon.
3.	Żarówka LED	Dość stonowany.	Brak.	Wzrasta wraz z szerokością do 1 maksimum po czym zaczyna znacznie spadać, by na nowo zacząć rosnąć aż do 2 maksimum po czym ponownie maleje.	Brak.
4.	Żarówka halogenowa	Stonowany, w miarę równomiernie rosnący.	Brak.	Wzrasta wraz ze wzrostem szerokości, po osiągnięciu 2 maksimum zaczyna spadać.
5.	Żarówka mleczna	Stonowany, w miarę równomiernie rosnący.	Brak.	Wzrasta wraz ze wzrostem szerokości, po osiągnięciu 2 maksimum zaczyna spadać.	Neon.
6.	Żółta dioda	Stonowany, w miarę równomiernie rosnący.	Brak.	Wzrasta wraz ze wzrostem szerokości, po osiągnięciu maksimum zaczyna spadać.	Brak.

Tak jak w tabelce powyżej, określiliśmy, jakie są źródła opisanych w naszej pracy widm. Najczęściej występowały rtęć i neon. Dlaczego rtęć występuje w żarówkach? To jest ich zasada działania. Gdy żarówka jest podłączona, elektrony zostają wybite z pokrytego wolframem zwoju, zderzają sięz atomami rtęci, wzbudzając ich elektrony i to powoduje błyski światłaultrafioletowego. Fosforowe pokrycie (zawierające tlenek lub fosforan metalu) wewnętrznej powierzchni rurki absorbuje światło ultrafioletowe i reemituje je jako światło widzialne. Podobnie działa również świetlówka.Neon, czyli gaz, zamknięty jest w rurze o dowolnych kształtach. Świeci po przyłożeniu do końców rury dostatecznie wysokiego napięcia. Ma to zastosowanie w reklamach świetlnych i przy oświetlaniu pasów startowych.

W stosunku do żarówki LED i żółtej diody nie mogliśmy określić źródła widma na podstawietabelki załączonej na końcu instrukcji.Jest to spowodowane tym, że w owych żarówkach nie występują takie pierwiastki, jak, np.: rtęć. Żarówka LED jest wydajną, nowoczesną, energooszczędną i bezpieczną dla środowiska naturalnego żarówką.

Punkt „Opracowanie wyników” kończy podpunkt mówiący o określeniu „zorganizowania atomów” w świecącym obiekcie. Postaraliśmy się znaleźć trochę informacji na ten temat. Między innymi fakt, że żarówki, których widma są szerokie (m.in. żarówki żarowe), posiadają położone blisko siebie atomy jedynie przy dużym ciśnieniu. Ich stany skupienia są podstawowymi– ciecze, gazy, ciała stałe.

Lampy gazowe, neonówki, rtęciówki mają wąskie widma. Ich źródłem są pojedyncze atomy.