Imię i nazwisko:	Ćwiczenie nr O4 Badanie widm optycznych przy pomocy spektroskopu.
Kierunek i rok: Ochrona Środowiska I rok	Ocena z kolokwium: ....................................... data ....................... podpis...........................
Nazwisko prowadzącego zajęcia: dr A. Migalska-Zalas

I. Cel ćwiczenia

Celem Ćwiczenia jest badanie widm optycznych przy pomocy przyrządu pomiarowego zwanego Spektroskopu z udziałem różnego rodzaju lamp ( rtęciowa, neonowa, helowa i gazu nieznanego), oraz sporządzenie wykresu zależności położenia linii na skali w funkcji fali.

II. Część Teoretyczna

a) Rodzaje widm

Istnieją dwa rodzaje widm : emisyjne i absorpcyjne .

Widmo emisyjne obserwujemy wtedy , gdy światło wysyłane przez ciało świecące trafia bezpośrednio do układu rozszczepiającego .

Widmo absorpcyjne powstają wtedy , gdy na drodze światła pochodzącego ze źródła dającego widmo ciągłe umieścimy ciało absorbujące o odpowiednio niższej temperaturze niż źródło światła .

Ze względu na wygląd widma te można podzielić na :

1. widma ciągłe czyli takie z których wstęgi barwnej nie da się wyodrębnić linii odpowiadających danym długością fal .

2. widma pasmowe składające się z szeregu jasnych smug posiadających wyraźne brzegi od strony długofalowej jak i krótkofalowej .

3. widma liniowe składające się z oddzielnych wyraźnych linii rozłożonych w sposób prawidłowy i tworzących tzw. serie widmowe .

1)widmo św. białego
2)widmo emisyjne- powstaje gdy pobudzimy do świecenia substancje: a)widmo liniowe-gdy świeci pierwiastek(na ciemnym tle układ barwnych prążków). b)widmo pasmowe- gdy świeci zw. chemiczny (na ciemnym tle barwne smugi)
3) widmo absorpcyjne-pierwiastek lub zw.chem. który emituje pewne długości fali, to te same długości pochłania(na barwnym tle układ czarnych(ciemnych) linii).

Fale elektromagnetyczne wykazują podobieństwa: są falami poprzecznymi, przenoszą energię, podnoszą temp. ciała na które padają, rozchodzą się z tą samą v w próżni(300000 km/s), ulegają załamaniu, odbiciu. Fale elektromagnetyczne różnią się: zastosowaniem i wytwarzaniem.

1.Fale radiowe-powstają podczas drgań obwodów elektrycznych w nadajnikach; częstotliwość (f) drgań jest taka sama jak f fal radiowych; zastosowanie: przesłanie info na odległość(radio, TV)

2.Mikrofale-dobrze przenikają przez atmosferę i można je ogniskować(zbierać) w antenach satelitarnych; zast: w radarze, kuchenkach mikrofalowych.

3.Podczerwień-źródłem są ciała drgające(atomy); zast: w światłowodach, noktowizorach, inkubatorach, i w all elementach grzejnych.

4.Nadfiolet- źródła: słońce, lampa kwarcowa, łukowa. powoduje opalanie skóry. W nadmiarze: rak skóry. Stymuluje powstawanie niektórych witamin w skórze. Zast: do wykrywania fałszerstw banknotów, barwniki do proszków do prania, do sterylizacji pomieszczeń.

5.Promienie Roentgena (X)- wytwarzane w lampach rentgenowskich, silnie jonizuje powietrze, służy do prześwietleń, do wykrywania wad materiałowych, może wywołać raka.

6.Promienie gamma- źródła: słońce, ciała radio-aktywne. Wywołuje silną jonizacje ośrodka, wywołuje nowotwory ale i je leczy, do sterylizacji, do przedłużania terminu wartości w przem. spożywczym.

Zwierciadło-gładka powierzchnia odbijająca dużą część padającego na nią promieniowania(np. lusterko, bombka) zwierciadło płaskie-gdy pow. odbijająca jest kształtu płaszczyzny.

>jak światło odbija się od gładkiej pow.? Prawo odbicia światła-kąt padania jest= kątowi odbicia. Promień padający, odbity i normalna leża w jednej płaszczyźnie.

>jak odbija się św. od pow. chropowatej? Rozproszenie-gdy wiązka równoległa światła pada na ciał chropowate to po odbiciu promienie rozchodzą się w all Kierunkach (zgodnie z prawem odbicia).

b) Budowa atomu

• Definicja

Atom – najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii.

Używając tej definicji jest dość trudno powiedzieć, czy coś jest atomem czy nie, gdyż nie ma pewności czy nie istnieje jakaś reakcja chemiczna która rozłoży nam substancję, którą uznaliśmy za zbiór atomów. Dlatego przez wieki substancje, które uznawano za złożoną z atomów nagle udawało się podzielić na dwie inne substancje. Jednak dzięki postępowi techniki i jej zdobyczom (mikroskop elektronowy) i poprzez przeprowadzenie wielu eksperymentów chemicznych mamy skatalogowane pierwiastki w układzie okresowym (o czym więcej w rozdziale Układ okresowy).

Aktualnie wiemy, że atomy nie są tak znowu niepodzielne, jak to sobie wyobrażali starożytni grecy, jak również nie jest ich tylko pięć. Atomy jak głosi nasza definicja są niepodzielne tylko metodami chemicznymi. Natomiast innymi metodami udało się podzielić atom na jego mniejsze składowe. Atom składa się z jądra (składającego się z protonów i neutronów) oraz "krążących" dookoła elektronów. W naturalnym stanie atomu elektronów jest tyle samo co protonów. Ilość protonów zaś określa właściwości chemiczne danego atomu. Dlatego też pierwiastkiem chemicznym nazywamy substancje złożoną z atomów o tej samej liczbie protonów ale nie koniecznie neutronów. Substancje różniące się tylko liczbą neutronów nazywamy izotopami.

Jeżeli ktoś miałby jednak powiedzieć co jest głównym składnikiem atomu to zasadniczo powinien powiedzieć, że NIC. Dlaczego? A dlatego, że jeżeli popatrzymy na rozmiar jądra atomu (np. wodoru ~ 1fm) i porównamy ze średnica (1Å). Wyobraźmy sobie, że powiększamy atom tak by jądro atomu miało średnicę 1 m to rozmiar atomu miałby 100km. Z takiej odległości na pewno nie moglibyśmy dostrzec jądra atomu (szczególnie takiej wielkości). A co jest pomiędzy? Właśnie! Pomiędzy nie ma NIC! (w zasadzie to właśnie jest NIC). Jeżeli tak popatrzeć na substancje otaczające nas to wydają się zadziwiająco puste.

Chemiczne właściwości atomów

Ze względu na to, iż różnych rodzajów atomów jest dość dużo (ok.100) to każdy z tych rodzajów ma inne właściwości chemiczne. Substancje złożone z tych samych atomów (mających tyle samo protonów) nazywamy pierwiastkami chemicznymi. Pierwiastki chemiczne mają tendencje do łączenia się z innymi pierwiastkami, tworząc cząsteczki, które zazwyczaj mają inne właściwości fizyko-chemiczne od pierwiastków z których się składają.

Fizyczne właściwości atomów

Pierwszą rzeczą, jaka ciśnie się na usta każdego z nas, gdy myślimy o atomach, jest: jak on wygląda? I jaka jest jego struktura? Na to pytanie przez długi czas nie potrafiono odpowiedzieć. Dopiero na początku XX wieku Niels Bohr zaproponował model, który co nie co przypominał to, czym tak naprawdę jest atom (a przynajmniej to czym nam się dzisiaj wydaje, że jest).

• Historia odkryć; modele atomu

1. Na pomysł istnienia niepodzielnych cząstek materii wpadł jako pierwszy grecki filozof Demokryt ok. 400 lat przed Naszą Erą. W jego modelu świat był kombinacja próżni i wielkiej ilości mikroskopijnych cząstek materii, dość zróżnicowanych pod względem wielkości i kształtu. To on wprowadził do nauki pojęcie atomu.

2. Rozwój chemii w wieku XVIII i XIX zapoczątkował odkrycie nowych, nieznanych dotąd pierwiastków. Doprowadziło to do sformułowania teorii atomistycznej przez angielskiego fizyka Johna Daltona (rok 1805.) W tym naiwnym jeszcze modelu atom stanowił sztywną, niepodzielna kulkę, a znane substancje były zbiorami takich kulek. Dalton uważał, że łączenie się danych substancji polega na mikroskopowym łączeniu się tworzących je, niepodzielnych cząstek. Atomy w teorii Daltona zachowywały własności fizyczne przy reakcjach chemicznych, co zgadzało się w ówczesnymi obserwacjami. Ponadto dla każdego pierwiastka atomy nie różniły się między sobą, a atomy odmiennych pierwiastków były rozróżnialne na podstawie masy i zachowania przy przemianach fizycznych i chemicznych. Jedynym problemem były zaobserwowane ładunki dodatnie i ujemne podczas przemian. Ich obecność przemawiała za bardziej skomplikowaną budową atomu.

3. Istnienie elektronu (pojedynczego ładunku ujemnego) zostało przewidziane w 1874 roku przez Irlandczyka George'a Stoney'a. Podjął się on oszacowania elementarnej jednostki elektryczności, występującej w procesie elektrolizy. Wartość ładunku elementarnego, obliczona przez Stoneya, była wprawdzie około 20 razy mniejsza od obecnie przyjmowanej, ale teoretyczne podwaliny umożliwiły późniejsz3e odkrycie cząstki. Stoney wprowadził też sam termin "elektron". W 1898 roku Joseph "J.J." Thompson wyznaczył dalsze własności cząstki i w późniejszych latach przy okazji zmodyfikował model budowy atomu. Jego model to tzw. "ciasto z rodzynkami", przy czym rolę ciasta pełni tu rozłożony dość równomiernie ładunek dodatni, a rodzynki to ładunki ujemne - elektrony. Model ten tłumaczył przez pewien czas dość dobrze wyniki doświadczeń.

4. Ernest Rutherford (fizyk pochodzący z Nowej Zelandii) zaproponował w roku 1911 pierwszy jądrowy model budowy atomu, w którym większość masy i ładunek dodatni skupione są w bardzo niewielkiej przestrzeni w centrum atomu, a elektrony krążą w dość znacznej odległości od tego centrum (jądra atomowego.) Model ten nie wyjaśniał, dlaczego w swym ruchu obrotowym, elektrony nie wytracają prędkości i nie spadają w rezultacie na jądro.

5. Niels Bohr, genialny duński fizyk, zaproponował rozszerzenie modelu Rutherforda. Według niego elektrony mogą się poruszać wokół jądra jedynie po ściśle określonych orbitach wraz z odpowiadającymi im odpowiednimi energiami. Zjawisko to wyjaśniła dopiero mechanika kwantowa, według której pochłanianie i emisja energii elektronu w atomie może odbywać się jedynie skokowo, poprzez emisja i absorpcję pewnej określonej ilości (kwantu) energii.

6. Ernest Rutherford wykazał istnienie ładunków dodatnich (protonów) w jądrze atomu w roku 1919.

7. Kolejne modele wyjaśniły budowę jądra atomowego. W roku 1921 sformułowano zaczątki teorii sił jądrowych - sil utrzymujących jądro atomowe jako całość, mimo odpychania się poszczególnych protonów w jądrze (James Chadwick, E.S. Bieler.) Kilka lat później Wolfgang Pauli odkrył prawo, według którego żadne dwa elektrony w atomie nie mogły znaleźć się na tym samym poziomie energii (tzw. Zakaz Pauliego.)

8. James Chadwick wykazał, że obok dodatnio naładowanych protonów w jądrze atomowym występują neutrony - podobne do protonów ciężkie cząstki o ładunku elektrycznym zerowym (1931 rok.) Niemal w tym samym czasie równania teoretyczne Paula Diraca wskazały na istnienie tak zwanych antycząstek - pozytonów (elektronów o ładunku dodatnim.)

9. Znano już elektrony, protony, neutrony, antycząstki, miony oraz neutrina (małe, wysokoenergetyczne cząstki o niewykrywalnej masie.) W 1938 roku pojawia się zagadnienie trwałości protonu i neutronu. E.C.G. Stuckelberg zwrócił uwagę świata fizyki na fakt, że cząstki te nie rozdają się spontanicznie na elektrony, pozytony i neutrina, choć rozpad taki jest jak najbardziej możliwy i spełnia wszelkie niezbędne prawa zachowania. Nie mogąc zrozumieć natury zjawiska, Stuckelberg wysunął przypuszczenie, że dla cząstek tych obowiązują nowe, nieznane jeszcze prawa zachowania.

10. W 1941 roku formalnie zaczęto protony i neutrony uznawać za dwa stany tej samej cząstki - nukleonu. Nazwę tę wprowadzili C. Moller i Abraham Pais.

11. lata 1950-1960 -aż do dziś: odkrycie wewnętrznej struktury nukleonów, cząstki te nie są już elementarne, ale składają się z kwarków. Eksperymenty z rozpraszaniem wiązki elektronów na jądrach atomowych wykazały istnienie złożonej budowy protonów i neutronów. Odkrycie poszczególnych sześciu kwarków, rozwój teorii. Obecnie: poszukiwanie bozonu Higgsa - hipotetycznej, ale zgodnej z wieloma założeniami teoretycznymi cząstki nadającej innym cząstkom elementarnym masę.

c) 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. Całością zajmuje się spektroskopia.

d) Budowa i zasada działania spektroskopu pryzmatowego

Rys Zasada działania spektroskopu pryzmatowego

Rys Schemat spektroskopu pryzmatowego szkolnego typu SPS

e) Analiza Widmowa i jej zastosowanie

WIDMO jest to zarejestrowany obraz promieniowania, które zostało wyemitowane albo weszło w kontakt z analizowaną substancją i zostało przez nią odbite lub przepuszczone. Widma możemy otrzymać za pomocą siatki dyfrakcyjnej albo pryzmatu.
Generalnie widma dzielimy na absorpcyjne związane z rozkładem natężenia promieniowania elektromagnetycznego w funkcji częstotliwości lub długości fali po przejściu przez substancję, pochłaniającą fale elektromagnetyczne o charakterystycznych dla siebie częstotliwościach i emisyjne powodujące rozkład natężenia promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez daną substancję w funkcji częstotliwości. Wśród widm emisyjnych rozróżniamy kilka rodzajów:
· Ciągłe – to mniej lub bardziej falista linia w badanym zakresie długości fal, wysyłana przez ciecze i ciała stałe, pobudzone do świecenia.
· Nieciągłe – spore obszary bez promieniowania i pojedyncze wyskoki (prążki, piki) na wykresie.
· Pasmowe – widmo cząsteczkowe powstające przy przejściach między poziomami energetycznymi swobodnych cząsteczek, które obserwuje się w postaci pasm widmowych.
· Liniowe - wysyłane przez gazy i pary o cząsteczkach jednoatomowych.

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.

ZASTOSOWANIE

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.

Widmo optyczne jest to obraz uzyskany w wyniku rozłożenia światła nie monochromatycznego na światło składowe o różnych długościach fal (różnych barwach) np. za pomocą pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej. Widmo optyczne można podzielić:
na widmo absorpcyjne powstałe po rozszczepieniu światła, które♣ przeszło przez obiekt zdolny do selektywnego pochłaniania (absorbowania) części światła. Jest związane z rozkładem natężenia promieniowania elektromagnetycznego w funkcji częstotliwości lub długości fali po przejściu przez substancję.
na widmo emisyjne powstałe w wyniku rozszczepienia światła♣ emitowanego bezpośrednio ze źródła oraz powoduje rozkład natężenia promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez daną substancję w funkcji częstotliwości. Źródłem tego promieniowania są atomy lub cząsteczki substancji będące w stanie wzbudzonym.
Wśród widm emisyjnych wyróżniamy kilka rodzajów:
widmo ciągłe jest to mniej lub bardziej falista linia w badanym♣ zakresie długości fal, widmo to wysyłane jest poprzez ciecze i ciała stałe pobudzone do świecenia.
♣ widmo nieciągłe jest to spory obszar bez promieniowania, który posiada pojedyncze wyskoki – prążki, piki – na wykresie
widmo pasmowe jest wysyłane przez gazy i pary o cząsteczkach♣ wieloatomowych; widmo cząsteczkowe powstające przy przejściach między poziomami energetycznymi swobodnych cząsteczek, które obserwuje się w postaci pasm widmowych
♣ widmo liniowe jest wysyłane przez gazy i pary o cząsteczkach jednoatomowych.
Analiza widmowa jest to dział analizy instrumentalnej, w którym na podstawie charakteru widma (położenia linii i pasm, natężenia) można ustalić skład ilościowy i jakościowy danej substancji.
Bunsen i Kirchoff odkryli, że każdy pierwiastek w stanie lotnym i w określonych warunkach pobudzony do świecenia daje tylko sobie właściwe widmo liniowe. Dzięki temu można stwierdzić, 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. Znając cechy linii widmowych danej substancji można z linii występujących w widmie jakiegoś bliżej nieznanego ciała wnioskować o tym jakie pierwiastki wchodzą w jego skład. 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.
Spektralna analiza atomowa ze względu na dużą szybkość, niewielką ilość substancji potrzebnej do analizy i zadowalającą dokładność znalazła szerokie zastosowanie m.in. w chemii, biologii, rolnictwie, medycynie, astrofizyce, technice.

Analiza widmowa miała bardzo duże znaczenie dla astronomii. Za pioniera, który wykorzystał ją uznaje się optyka Josepha von Fraunhofera, który za pomocą skonstruowanego przez siebie spektroskopu odkrył w widmie Słońca znaczną ilość ciemnych linii. Linie te oznaczał literami alfabetu. Porównując widmo słoneczne z widmem ziemskich źródeł światła (gorących gazów) odkrył, że każdy pierwiastek chemiczny wykazuje inny, sobie tylko właściwy "obraz". Linie te zostały nazwane liniami Fraunhofera. Na podstawie tych charakterystycznych linii każdy pierwiastek i każdy związek chemiczny może zostać wykryty zarówno na Ziemi, jak i w Kosmosie. Fraunhofer dokonał również pierwszych obserwacji spektralnych najjaśniejszych gwiazd. Sformułowanie podstaw analizy widmowej było dziełem dwóch niemieckich uczonych: Wilhelma Bunsena i Gustava Kirchoffa. Wskazali oni, że linie Fraunhofera w widmie słonecznym, dlatego są ciemne, iż światło, które przepuszcza Słońce, przechodzi jeszcze przez jego chłodniejsze warstwy zewnętrzne, gdzie jest częściowo pochłaniane. W ten sposób stało się możliwe badanie właściwości i składu chemicznego ciał niebieskich. Z badań spektralnych zasłynęło Obserwatorium Uniwersytetu Harvarda, gdzie Edward Charles Pickering w 1886 r. zastosował do fotografowania widm gwiazd, pryzmat obiektywowy. Na podstawie takich badań podzielono gwiazdy na typy widmowe, a dokonała tego Annie Cannon. Klasyfikacja ta, z małymi zmianami jest stosowana do dziś. Obserwacje te przyniosły wkrótce następne ciekawe rezultaty, bo już w 1889 r. za pomocą analizy spektralnej odkryto pierwsze układy gwiazd spektroskopowo podwójnych. Na drodze analizy widmowej możliwe jest także określenie, czy gwiazda zbliża się do obserwatora, czy też się od niego oddala. Otóż, jeśli światło zbliża się do nas to dochodzi więcej fal w jednostce czasu, niż ze źródła, które się oddala. Tak, więc, każdemu kolorowi w widmie odpowiada inna długość fali. Jeśli więc źródło światła będzie się zbliżało do obserwatora to w widmie zobaczymy przesuwanie się linii Fraunhofera w kierunku niebieskim (przesunięcie ku fioletowi), jeśli natomiast będzie się oddalać to przesunięcie będzie się odbywać w kierunku czerwieni (przesunięcie ku czerwieni). Z wielkości tego przesunięcia można obliczyć prędkość zbliżania lub oddalania się obiektu. Jako pierwszy zastosował tą zależność dla Syriusza w 1868 r. William Huggins, angielski astronom. Zastosowanie metod fotograficznych oraz analiza spektralna światła pozwoliły poznać budowę i skład chemiczny komet. Główną częścią komety jest jądro (bryła zanieczyszczonego lodu o dużej zawartości tlenku i dwutlenku węgla) zwykle o średnicy od 1 do 10 kilometrów. Gdy kometa znajdzie się w pobliżu Słońca, rozgrzane jądro paruje, uwalniając świecące gazy. Tworzą one tzw. komę (spowijający jądro jasny obłok o rozmiarach około stu tysięcy kilometrów). Wiatr słoneczny (strumień rozpędzonych cząstek) wydmuchuje z komy rozciągający się na miliony kilometrów warkocz. Wbrew temu, co można by sądzić, nie wlecze się on za kometą, lecz niezależnie od jej prędkości i pozycji zawsze wskazuje kierunek przeciwny Słońcu.
W dzisiejszych czasach obserwuje się obiekty na niebie w pełnym zakresie promieniowania od fal najdłuższych (radiowych) do fal najkrótszych (rentgenowskich). Aby sklasyfikować odpowiednio widmo stosuje się szereg technik spektroskopowych. Do najważniejszych i najbardziej rozpowszechnionych należą: spektroskopia w podczerwieni (IR), radiospektroskopia, spektroskopia w zakresie widzialnym i nadfiolecie (UV-VIS). Wszystkie je stosuje się w badaniu Kosmosu.
Dzięki tym metodom badawczym oraz nowoczesnym urządzeniom można odkryć wiele tajemnic Wszechświata, zrozumieć jego budowę i prawa nim rządzące. Analiza spektralna wniosła ogromny wkład w rozwój badań nad Kosmosem, przeważająca większość odkrytych faktów była wynikiem stosowania technik analitycznych widma.
Analiza widmowa jest również stosowana do oznaczania pierwiastków metalicznych występujących w ilościach śladowych w metalach i stopach, wodach i minerałach, do zapisywania pracy serca płodu, bardzo często wykorzystuje się analizę spektralną w technice do badania próbek stopów czy stali oraz do kontrolowania procesów technologicznych np. podczas wytopu szkła, a także w badaniach zanieczyszczenia środowiska. Metoda ta powszechnie jest również stosowana w geologii i mineralogii do oceny zawartości pewnych pierwiastków w wodzie, rudach czy minerałach oraz do badania związków organicznych.
Bardzo ważne zastosowanie analizy spektralnej znajdujemy w ekologii. Przeprowadzenie analizy odpadów komunalnych, przemysłowych, pyłów kominowych, popiołów lotniczych, wód naturalnych, gleb i osadów pozwala na wyodrębnienie nowo powstałych metali ciężkich, dzięki czemu poznamy drogę ich ewolucji i będziemy mogli skutecznie zapobiegać zanieczyszczeniu środowiska przez metale ciężkie.
Analizę widmową wykorzystuje się także 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 mikroślady są znajdowane przez patologa na ofierze. Nawet niewielka ilość substancji wystarczy do jej zidentyfikowania dzięki niezwykłym właściwościom widm, budowie atomu, cząsteczek.
Jak widać analiza widmowa ma wiele zastosowań dzięki którym naukowcom jest łatwiej odkrywać świat oraz naprawiać go.

III. Tabele

Widmo rtęci

Barwa linii / prążka	Długość fali λ [nm]
fioletowa	404,66
fioletowa	435,83
niebieska	491,16
zielona	546,74
żółta	579,96
żółta	579,07

Lampa Rtęciowa Hg

Lp	Barwa prążków linii widma	Położenie linii na skali x	Wartość Natężenie linii Długość fali odczytywana z tablic	Natężenie linii (silna, słaba, itp.)
		[nm]	[nm]
1	Prążek pomarańczowy	3,7	623,4
2	Prążek żółty	4,3	579,1 577.0	Bardzo silna Bardzo silna
3	Prążek zielony	5,6	546,0	Silna
4	Prążek zielono niebieski	10,6	496,0 491.0	Słaba
5	Prążek fioletowy	17,5	435,8 434,8	Bardzo silna słaba

Lampa Neonowa Ne

Lp	Barwa prążków linii widma	Położenie linii na skali x	Wartość Natężenie linii Długość fali odczytywana z tablic	Natężenie linii (silna, słaba, itp.)
		[nm]	[nm]
1	Prążek ciemno czerwony	1,5	724,5
2	Prążek czerwony	2,7	640,2	Silna
3	Prążek pomarańczowy	4,5	614,3	Silna
4	Prążek zielono- żółty	5,0	594,5 585,2	Bardzo silna
5	Prążek zielony	7,8	540,0 534,1
6	Prążek niebieski	8,3	482,7

Lampa Helowa He

Lp	Barwa prążków linii widma	Położenie linii na skali x	Wartość Natężenie linii Długość fali odczytywana z tablic	Natężenie linii (silna, słaba, itp.)
		[nm]	[nm]
1	Prążek czerwony	2,5	667,8	silna
2	Prążek żółty	5,4	58,7,6	Bardzo silna
3	Prążek zielono	11,7	504,8 501,6	słaba
4	Prążek zielono- niebieski	12,5	492,2	słaba
5	Prążek niebieski	13,4	471,3
6	Prążek indygo	18,0	447,1	słaba
7	Prążek fioletowy	20,3	439,0

Lampa gaz nieznany

Lp	Barwa prążków linii widma	Położenie linii na skali x	Natężenie linii	Długość fali odczytywana z wykresu [nm]	Nazwa gazu wypełniającego rurkę
		[nm]		[nm]	AZOT
1	Prążek ciemno czerwony	2,5	silna	743
2	Prążek czerwony	5,8	bardzo silna	649
3	pomarańczowy	9,3	słaba	613
4	Prążek zielono niebieski	15,2	słaba	492
5	Prążek fioletowy	18,5	silna	335

IV. Wykresy na dołączonym do sprawozdania papierze milimetrowym