KF PŚk		Berdyga Mariusz Cygan Adam Cudak Aneta Daszkowski Maciej		Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska 101a
O3	Badanie widm optycznych
Data wykonania 14.05.2012			Data oddania do poprawy		Ocena

1. Część teoretyczna:

Analiza widmowa jest jedną z metod badania promieniowania wysyłanego przez ciało. Promieniowanie to jest najczęściej niejednorodne, tzn. składa się z wiązek o różnych długościach fal (różnych częstotliwościach). Można się o tym przekonać przepuszczając badane światło przez układ optyczny.

Wysyłanie, czyli emisja światła przez ciała świecące jest wynikiem przemian energetycznych zachodzących w atomach i cząsteczkach. Aby atom wysyłał światło, musi być pobudzony energetyczne, 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. 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 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 promienia składowe powstałe w wyniku rozszczepienia. Wstęga barwna, jaka powstaje na ekranie w wyniku działania rozszczepiającego pryzmatu, nosi nazwę widma promieniowania wiązki padającej. 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 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. Czyste widmo możemy otrzymać przy pomocy układu optycznego zastosowanego w spektroskopie pryzmatycznym.

Istnieją zasadniczo dwa rodzaje widm: emisyjne i absorpcyjne. Ze względu na wygląd, widma te (emisyjne i absorpcyjne) można podzielić na:

• ciągłe

• pasmowe

• liniowe.

Z widmami emisyjnymi mamy do czynienia obserwując bezpośrednio ciała świecące. Pobudzenie świecenia może być: temperaturowe- ogrzani ciała do wysokiej temperatury, np. przez umieszczenie go w płomieniu, lub elektryczne- wyładowania w gazach. Ogrzane ciała stałe i ciecze wysyłają światło o widmie ciągłym, które obserwujemy jako nieprzerwaną smugę zawierającą barwy od czerwieni do fioletu. Widmo to otrzymujemy umieszczając przed szczeliną spektroskopu małą żarówkę, najlepiej matową. Charakterystyczną cechą takiego widma są jego granice: krótkofalowa i długofalowa (położenie tych granic zależne jest od czułości oka obserwatora). Granice te w obserwowanym widmie nie są zaznaczone ostro, oceniamy je „ na oko” i notujemy je w tabelce obserwacji. Mając żarówkę dołączoną do sieci możemy sprawdzić, przy obniżaniu żarzenia, szybsze wygaszanie fioletu niż czerwieni. Jest to zgodne z rozkładem energii w widmie ciągłym.

Pobudzone do świecenia pary i gazy dają widmo nieciągłe, złożone z oddzielnych linii. Jest to tzw. widmo liniowe. Widmo to charakteryzuje atomy pierwiastków, a nie cząstki. Każdy pierwiastek posiada swoje charakterystyczne widmo, złożone z linii rozmieszczonych według praw określonego typu. Linie te tworzą tzw. serie widmowe. Ta prawidłowość widm liniowych odkrytych przez Kirchhoffa i Bunsena jest podstawą analizy chemicznej, zwanej analizą widmową.

Omówione wyżej widma liniowe są to tzw. widma seryjne; wysyłają je gazy o cząsteczkach jednoatomowych. Odmienny typ widm liniowych dają gazy wieloatomowe, które emitują tzw. widma pasmowe, składające się z szeregu linii, zagęszczających się w pobliżu tzw. głowicy pasma. Metoda analizy widmowej jest bardzo czuła; pozwala ona wykryć ilość substancji rzędu 10^-7μg.

2. Tabele pomiarowe:

2.1 Dane do wykreślenia krzywej cechowania, zebrane na podstawie obserwacji widma helu.

Długość fali [Ǻ]	Kolor	Z podziałki
7065	Czerwony słaby	2,4
6678	Czerwony	3,8
5876	Żółty	6,6
5048	Zielony słaby	11,1
5016	Zielony mocny	11,4
4922	Zielono-niebieski	12,2
4713	Niebieski	14,0
4471	Indygo	16,6
4390	Fioletowy słaby	17,6

2.2 Dane zebrane na podstawie obserwacji widma pierwszego nieznanego gazu

Kolor	Z podziałki			Długość fali [Ǻ]	Liczba prążków
	Czerwony słaby	4,8	4,9	4,9	6620	3
		4,6	4,7	4,7	6670
		4,3	4,3	4,3	6780
	Czerwony słaby	3,6	3,6	3,6	6950		2
		3,4	3,5	3,5	7000
	Czerwony	5,4	5,3	5,4	6510		2
		5,5	5,5	5,5	6495
Pomarańczowy	5,8	5,9	5,9	6390	1
Żółty	6,0	6,1	6,1	6340	2
		6,2	6,2	6,2		6310
Żółty jasny	6,3	6,4	6,4	6250	1
Zilono-niebieski	7,1	7,2	7,2	6090	1
zielony	7,5	7,5	7,5	6020	1

2.3 Dane zebrane na podstawie drugiego nieznanego gazu.

Kolor	Z podziałki			Długość fali [Ǻ]	Liczba prążków
		Pierwszy pomiar	Drugi pomiar			Wartość śr. zaokrąglona
Czerwony słaby	3,3	3,2	3,3	6950	1
Czerwony mocny	4,3	4,4	4,4	6700	1
Żółty	7,7	7,6	7,7	6880	1
Zielony słaby	11,7	11,6	11,7	5050	1
Zielony mocny	11,9	11,8	11,9	4960	1
Zielono-niebieski	12,5	12,5	12,5	4900	1
Fioletowy słaby	14,3	14,2	14,3	4600	1
Fioletowy mocny	17,0	17,1	17,1	4350	1

3. Rachunek błędów i obliczenia:

Dla nieznanych gazów odczyt z podziałki był wykonany dwa razy, subiektywnie przez dwóch członków zespołu, dzięki temu ograniczyliśmy błąd wynikający z niedokładności odczytu, który wynosi ±0,1 działka.

Na podstawie obserwacji widma helu wyznaczyłam krzywą cechowania tego spektroskopu tzw. krzywą dyspersji. Na wykresie błąd maksymalny zaznaczony kwadratami w miejscach odczytu działki. Krzywa cechowania jest również obarczona nieokreślonym błędem wynikającym z aproksymowania wykresu oraz jego niedokładnego wykonania. Błąd ten jednak nie jest znaczący.

Przykładowe obliczenia błędów bezwzględnych:

Gdzie S oznacza błąd średni bezwzględny dla pierwszego pomiaru.

Dla wszystkich pomiarów błędy bezwzględne wynoszą poniżej |0,1| dlatego też biorąc pod uwagę rozdzielczość przyrządu pomiarowego (spektroskopu), która wynosi 0,1 działki, zaokrągliłam wszystkie błędy bezwzględne w górę do 0,1 działki.

Przykładowe obliczenia błędów względnych.

Gdzie
oznacza błąd względny procentowy dla pierwszego pomiaru.
oznacza wartość błędu bezwzględnego dla i-tego pomiaru (w przykładzie dla pierwszego).
oznacza wartość średnią i-tego pomiaru (w przykładzie dla pierwszego).

4. Zestawienie wyników pomiarów:

Dzięki krzywej cechowania można było wyznaczyć długości fali dla poszczególnych prążków widmowych nieznanych gazów. Na podstawie wyników tych pomiarów stwierdziłam, że podczas ćwiczenia obserwowaliśmy widmo rtęci i argonu. Pierwsze to widmo rtęci, a drugie to widmo argonu.

5. Wnioski:

Odczyt z podziałki spektroskopu może być niedokładny dlatego też pomiar wykonaliśmy 2-krotnie przez dwóch członków zespołu. Zauważyliśmy, że odczyt pomiaru może być subiektywny ponieważ niektóre wyniki tego samego pomiaru różniły się między sobą. Błędy wynikłe z odczytywania i wykreślania krzywej nie wpłynęły jednak na określenie nieznanych gazów. Na określenie nieznanych gazów mogła wpłynąć w znaczny sposób niedokładność przyrządów. Najdrobniejsze zanieczyszczenia gazów w próbce mogło znacznie zmienić ich widma co tłumaczy, że wartości zmierzone nieco różnią się od wartości katalogowych długości fali poszczególnych prążków określonych gazów.

2

4

---