Nr ćwiczenia: 304	Data: 27.02.2012r.	Imię i Nazwisko: Bartłomiej Pośpiech	Wydział: Elektryczny	Semestr: 2	Grupa: E-7 nr lab. 4
Prowadzący: mgr inż. Łukasz Majchrzycki	Przygotowanie: Bartłomiej Pośpiech	Wykonanie: Bartłomiej Pośpiech Marcin Woźny	Ocena:

Badanie widm za pomocą spektroskopu

1. Podstawy teoretyczne

Załamanie światła

To zjawisko fizyczne polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się promieni świetlnych przez dwa ośrodki przezroczyste. Przyczyną takiego zachowania się światła jest to, że światło ma różne prędkości w zależności od tego przez jaki ośrodek przechodzi. Im większa gęstość ośrodka, tym światłu "trudniej jest się przez niego przedrzeć" - czyli ma w nim mniejszą prędkość, niż w ośrodkach o mniejszej gęstości.

Rozszczepienie

W fizyce to zjawisko rozdzielenia się fali na składowe o różnej długości. Rozszczepienie światła jest wynikiem ogólniejszego zjawiska fizycznego zwanego dyspersją, które określa zjawiska zachodzące dla fal na skutek zależności prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku od częstotliwości fali. Rozszczepienie jest bezpośrednim następstwem faktu, że współczynnik załamania zależy od długości fali.

Dyspersją ośrodka nazywamy pochodną współczynnika załamania względem długości fali:

$$D_{0} = \frac{\text{dn}}{\text{dλ}}$$

Po przekształceniach otrzymujemy, że dyspersję ośródka w zależności od długości fali wyraża funkcja:

$$D_{0} = - \frac{2B}{\lambda^{3}}$$

Wielkość rozszczepienia przez pryzmat zależy nie tylko od dyspersji ośrodka, lecz również od kata padania i kąta łamiącego. Wielkością charakteryzująca rozszczepienie przez dany pryzmat jest dyspersja kątowa pryzmatu:

$$D = \frac{\text{dφ}}{\text{dλ}}$$

gdzie φ jest katem odchylenia.

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

Rodzaje widm:

• Widmo ciągłe – ma postać ciągłego obszaru lub szerokich pasów (widmo o składowych, występujących w sposób ciągły wzdłuż skali częstotliwości). Widmo takie jest emitowane przez ciała w stanie stałym.

• Widmo liniowe (atomowe) – ma postać oddzielnych linii na pasku widmowym; typowo występuje dla gazów atomowych,

• Widmo pasmowe (cząsteczkowe) jest przypadkiem pośrednim pomiędzy widmem liniowym a ciągłym. Można je zaobserwować dla gazowych związków chemicznych. Pasma powstają tam na skutek zlewania się poszczególnych linii pochodzących od sąsiadujących ze sobą licznych poziomów energetycznych rotacyjno-oscylacyjnych.

• widmo emisyjne – powstaje w wyniku emisji promieniowania przez ciało

• absorpcyjne – powstaje w wyniku oddziaływania (przejścia lub odbicia) fali o widmie zazwyczaj ciągłym z substancją.

Każdy pierwiastek ma swoje indywidualne widmo, niepowtarzające się dla żadnego innego pierwiastka. Ta właściwość stanowi podstawę metody identyfikacji pierwiastków na podstawie ich widm – analizy widmowej lub spektralnej. Widma wszystkich pierwiastków są znane i podane w odpowiednich tablicach.

Identyfikacja pierwiastków

W celu zidentyfikowania jakiegoś pierwiastka należy doświadczalnie wyznaczyć jego widmo i następnie znaleźć w tablicach pierwiastek mający identyczne widmo. Do badania widm używa się spektroskopów, w których elementem rozszczepiającym światło jest siatka dyfrakcyjna lub pryzmat.

Spektroskop optyczny jest to przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego (od podczerwieni do nadfioletu). Składa się z poziomej tarczy z podziałką kątową, w środku której umieszczony jest pryzmat lub siatka dyfrakcyjna, lunety obracanej wokół tarczy oraz kolimatora, wyposażonego w źródło światła. Aby określić długość fal występujących w danym widmie, musimy najpierw wycechować spektroskop, tzn. przyporządkować danym podziałkom skali określone długości fali.

Krzywą dyspersji nazywamy zależność między długością fali a położeniem na skali poszczególnych linii widmowych przedstawiamy graficznie w postaci ciągłej krzywej. Krzywa dyspersji pozwala na znalezienie długości fali nieznanej linii, gdy znane jest jej położenie na skali.

Reguła Stokesa dotyczy spektroskopii elektronowej, a szczególnie fluorescencji. Głosi ona, że: „Długości fali promieniowania fluorescencyjnego są większe od długości fali promieniowania wzbudzającego fluorescencję lub co najwyżej im równe.”

Reguła ta wynika z faktu, że cząsteczka absorbująca (pochłaniająca) kwant promieniowania przechodzi z podstawowego stanu oscylacyjnego na jeden z poziomów wzbudzonego stanu oscylacyjnego. Cząsteczka traci nadmiar energii w wyniku zderzeń z innymi cząsteczkami. Powracając do stanu podstawowego emituje pozostałą energię w postaci promieniowania fluorescencyjnego, więc energia emitowanej fali jest mniejsza niż energia fali wzbudzającej fluorescencję, co przekłada się na długość (im mniejsza energia, tym większa długość fali i mniejsza częstotliwość). Oznacza to, że pasmo fluorescencji będzie leżało zawsze w obszarze niższych częstości niż pasmo absorpcyjne, czyli będzie przesunięte w kierunku czerwieni.

1. Wyniki pomiarów i obliczenia

Lampa rtęciowa
Położenie na skali s
16,09
16,05
15,31
15,29
15,26
14,12
14,06
13,37
13,08
13,06
13,01
12,81
12,69
12,27

Krzywa dyspersji wykonana dla lampy rtęciowej:

Lampa 1 (antymon)
Położenie na skali s [mm]
16,01
14,97
13,97
12,37

Lampa 2 (fluor)
Położenie na skali s [mm]
13,00
12,92
12,82
12,77
12,62
12,57
12,51

Nieznane gazy w lampach 1 i 2 zostały rozpoznane na podstawie porównania położenia linii widmowych z wcześniej sporządzonej krzywej dyspersji dla lampy rtęciowej i odczytania długości fal badanych widm. Dzięki temu można było dokonać próby identyfikacji gazu w obu lampach. Dla większej dokładności dokonano również porównania położenia linii widmowych z różnymi pierwiastkami w programie Spektruś 1.0, rozpoznania nieznanych gazów, a następnie ustalenia długości fal.

1. Dyskusja błędów

Na niedokładność odczytanych wyników i brak pewności co do rodzaju zidentyfikowanego gazu składają się błędy do których zaliczyć można:

1. Małą dokładność odczytu linii widmowych na skali

2. Ich słabą widoczność

3. Trudność związaną z ustawieniem celownika na wybranej linii

4. Słabą widoczność celownika na ciemnych, słabo widocznych liniach

5. Małą dokładność pomiaru uzyskanego z wykresu krzywej dyspersji.

1. Przyrządy użyte do wykonania ćwiczenia

• Spektroskop pryzmatyczny

• Rurki Geisslera

• Induktor Ruhmkorffa

• Lampy oświetlające

1. Wnioski

Pierwszym etapem ćwiczenia było odczytanie położenia linii widmowych lampy rtęciowej na skali s. W tym celu należało ustawić celownik spektroskopu na danej linii widmowej, a następnie odczytać jej położenie na skali. Na podstawie tabeli długości fal linii widmowych i otrzymanych wyników sporządza się krzywą dyspersji.

W drugim etapie ćwiczenia należało odczytać położenie linii widma nieznanych gazów w lampie 1 i 2. Na podstawie wcześniej sporządzonej krzywej dyspersji dla lampy rtęciowej i przeprowadzonej analizie w programie Spektruś 1.0 zostały odczytanie długości linii nieznanych gazów. Na tej podstawie można podejrzewać, że nieznanymi gazami są antymon znajdujący się w lampie 1 oraz fluor znajdujący się w lampie 2.