Robert Gozdek

II Fizyka z informatyką

Rok studiów: II

Grupa laboratoryjna XIV

Temat: Badanie widma par rtęci za pomocą spektroskopu.

Nr ćw.

I. Część teoretyczna

Wysyłanie, czyli emisja światła przez ciała świecące jest wynikiem przemian ener­getycznych zachodzących w atomach i cząsteczkach. Aby atom wysyłał światło, musi być pobudzony energetycznie, tzn. musi się znaleźć w stanie energetycznym wyższym od normalnego. Przechodząc ze stanu pobudzonego do stanu normalnego atom wy­syła promieniowanie w postaci fali elektromagnetycznej o częstości drgań v, zależnej od jego struktury energetycznej. Różne atomy, w różnych sytuacjach energetycznych, określonych budową chemiczną substancji i warunkami fizycznymi, emitują promie­niowanie o różnych częstościach. Przeprowadzenie analizy promieniowania wysyłanego przez daną substancję ma doniosłe znaczenie, gdyż może pozwolić na wysunięcie wniosków dotyczących budowy chemicznej substancji oraz jej stanu fizycznego. Przyrządem najczęściej stosowanym do analizy promieniowania ciał świecących jest spektroskop pryzmatyczny. Zasadniczym jego elementem jest pryzmat z sub­stancji przezroczystej, wykazującej zjawisko dyspersji, czyli rozszczepienia barwnego światła. Rozszczepienie to polega na zachowaniu różnej wartości współczynnika za­łamania światła w zależności od jego różnej częstości drgań. Do analizy obszaru wi­dzialnego promieniowania stosuje się pryzmaty ze szkła o szczególnie silnej dyspersji. Dyspersję pojedynczego promienia światła białego przedstawia rys. IV.56. Przy przejściu przez "powierzchnię I promień rozszczepia się na składowe promienie barwne dzięki temu, że współczynniki załamania dla różnych barw są różne. Jak wiemy, z barwą światła wiąże się odpowiednia częstość drgań. Najsilniej załamuje się promień fiole­towy, o dużej częstości, najsłabiej — promień czerwony o małej częstości drgań. Dyspersja jest zasadniczą cechą optyczną (obok średniego współczynnika zała­mania) każdej substancji załamującej światło. Miarą dyspersji (różnej dla "różnych ośrodków) jest różnica współczynników załamania np—nc długości fal światła fiole­towego i czerwonego — określonych przez odpowiednie linie Fraunhofera. Ścianka II pryzmatu rozszczepiającego światło nie wpływa na sam proces roz­szczepienia, jaki dokonał się na ściance I. Załamuje ona tylko jeszcze bardziej pro­mienie składowe powstałe w wyniku rozszczepienia. Wstęga barwna' ab, jaka powstaje na ekranie w wyniku działania rozszczepiającego pryzmatu, nosi nazwę widma pro­mieniowania wiązki padającej A. Dokonanie szczegółowej analizy tego widma umożli­wia nam występowanie różnych barw i różnych natężeń w widmie. Widmo dawane przez pryzmat nie jest czyste — poszczególne wiązki barwne za­chodzą wzajemnie na siebie. Promień światła białego A nie jest tworem geometrycz­nym, lecz w istocie jest smugą świetlną, składającą się z szeregu biegnących równo­legle promieni, z których każdy rozszczepia się na wiązki barwne, nakładające się na siebie na ekranie E. Czyste widmo możemy otrzymać przy pomocy układu optycz­nego zastosowanego w spektroskopie pryzmatycznym. Zasadę konstrukcji tego przy­rządu i bieg promieni w nim przedstawia rys. IV.57. Składa się on zasadniczo z pryz­matu P oraz trzech rur, K, L, R zwróconych doń promieniście, umieszczonych w jed­nej płaszczyźnie. Rura K, zwana kolimatorem, ma z jednej

Rys. 1 Zasada otrzymywania widma za pomocą pryzmatu.

Rys. 2 Zasada konstrukcji spektroskopu pryzmatycznego.

strony wąską szczelinę S, przed którą umieszczamy źródło światła Z, a z drugiej strony soczewkę zbierającą. Szczelina kolimatora, równoległa do krawędzi łamiącej pryzmatu, powinna być umieszczona w ognisku soczewki; wówczas rozbieżna wiązka światła wychodzącego ze szczeliny po załamaniu w soczewce wychodzi jako równoległa — jest to warunek konieczny dla uzyskania widma czystego i ostrego. W pryzmacie poszczególne wiązki barwne, z których składa się wiązka światła białego, doznają różnych odchyleń i po wyjściu z pryzmatu jako wiązki równoległe, padają na obiektyw Oi lunety L. W płaszczyźnie ogniskowej obiektywu powstają barwne obrazy szczeliny, które stanowią widmo promieniowania wysyłanego przez źródło Z. Widmo to możemy rozpatrywać prz^ pomocy soczewki 0^, stanowiącej okular lunety L. Aby możną było przyporządkować liniom, czyli barwom widmowym określone poło­żenie, spektroskop zaopatrzony jest w rurę R, która na jednym końcu ma skalę M, a na drugim soczewkę Og. Skala M umieszczona jest w odległości ogniskowej soczewki 03. Przy takim jej ustawieniu każdemu punktowi skali odpowiada inna wiązka równo­legła promieni wychodzących z soczewki. Rurkę R ustawia się tak, że wiązki te ule­gają odbiciu na ściance pryzmatu i wpadają do lunetki L razem z rozszczepionymi promieniami widma. Dzięki takiemu urządzeniu otrzymujemy badane widmo na tle skali, co pozwala ustalić położenie barwnych prążków. Zwykle pryzmat umieszczony jest w osłonie tak, aby rozproszone światło z ze­wnątrz nie zakłócało obserwacji widma. Kolimator przymocowany jest na stałe do stolika spektroskopu, ustawienie zaś lunetki L i rury R w stosunku do ścianek pryz­matu regulujemy (za pomocą odpowiednich śrubek) tak, aby w polu widzenia otrzy­mać wszystkie barwy widma ciągłego, a żółty prążek sodu, aby wypadł na określonej podziałce skali.

Ustawienie i regulacja spektroskopu. Powiedzieliśmy powyżej, że światło wychodzące z kolimatora powinno składać się z promieni równoległych. Aby to sobie zapewnić, ustawiamy lunetę i kolimator w sposób następujący. Umieszczamy spektro­skop w pobliżu okna i obracamy lunetę tak, aby dostrzec przez nią jakiś odległy przed­miot. Przez przesuwanie okularu w tubusie lunety znajdujemy taką jego pozycję, przy której widać ostro szczegóły tego przedmiotu. Mamy w ten sposób lunetę ustawioną „na nieskończoność", tzn. na promienie równoległe. Przenosimy przyrząd na stół, oświetlamy szczelinę kolimatora płomieniem sodowym, a następnie wsuwamy i wy­suwamy oprawę ze szczeliną w tubusie kolimatora dopóty, dopóki w lunecie nie zo­baczymy ostro i wyraźnie obrazu szczeliny w postaci wąskiej żółtej linii; regulujemy szerokość linii za pomocą odpowiedniej śrubki rozsuwającej i zsuwającej brzegi szcze­liny S. Przy odpowiednio wąskiej szczelinie linia sodu powinna rozdwajać się. Oświet­lamy skalę M za pomocą małej lampki lub światłem bocznym odbitym od małego zwierciadła, umieszczonego przed ska4, oraz przesuwamy ją w tubusie rurki R tak, by zobaczyć ostro obraz skali i linii sodu. Zmieniamy równocześnie pozycję rurki R względem pryzmatu dopóty, dopóki linia sodu nie znajdzie się na odpowiedniej po­działce skali.

II. Tabelka pomiarów.

Kolor	Żółty1	Żółty2	Zielony	Zielony ciemny	Fioletowy ciemny	Fioletowy jasny
	L1	L2	L3	Lx	L4	L5
	0,8	0,9	2,4	6	11,8	16,7
Dł. Fali[nm]	λ1	λ2	λ3	λx	λ4	λ5
	623,44				407,8

II. Obliczenia i rachunek błędów

L₂ = 9 λ = 546,1

L₄= 118 λ = 407,8

L

3

---