WSTP TEORETYCZNY
POWSTAWANIE WIDMA
Kady elektron jest opisany czterema wielkociami. S to:
- Gówna liczba kwantowa - n
- Orbitalna liczba kwantowa - l
- Orbitalna liczba magnetyczna - ml
- Spinowa liczba magnetyczna - mS
Zgodnie z zasad Pauliego w atomie kady elektron ma inny zespó liczb kwantowych. Elektrony, które znajduj si w stanach o jednakowej wartoci liczby n, tworz powok elektronow. W kadej z powok elektrony s rozmieszczone na podpowokach, którym odpowiada okrelona warto liczby kwantowej l (l<n) Maksymalna liczba stanów elektronowych w powoce o danym l jest równa 2(2l+1). Kolejnoc obsadzania stanów elektronowych w powokach i podpowokach odpowiada kolejnoci poziomów energetycznych o danych n i l. Najpierw zapeniane s stany o najmniejszej moliwej energii, a nastpnie kolejno stany o energiach wyszych. W przypadku atomów lekkich ta kolejno zapeniania (obsadzania) odpowiada zapenianiu najpierw powoki o mniejszej liczbie n; dopiero po zapenieniu tej powoki zaczyna si obsadzanie kolejnej wyszej powoki. W obrbie kadej powoki najpierw obsadzane s stany o liczbie l=0 , nastpnie stany o wikszej liczbie l a do l=n-1.
Poczwszy od Potasu (Z=19) podany wyej porzdek zapeniania powok jest czsto naruszany. Dzieje si tak dlatego, e niektóre stany o wikszych wartociach n maj mniejsz energi ni nieobsadzone jeszcze stany o mniejszych wartociach liczby n.
Dopóki elektrony znajduj si w ramach swojej powoki, dopóty nie moe by mowy o jakiejkolwiek emisji wiata. Mówi o tym pierwszy postulat Bohra (postulat stanów stacjonarnych) - istniej pewne stany stacjonarne, w których atom nie wysya promieniowania. Stanom stacjonarnym atomu odpowiadaj stacjonarne orbity, po których poruszaj si elektrony. Podczas ruchu elektronów na orbitach stacjonarnych, pomimo dziaania na elektrony przyspieszenia, nie wysyaj one fal elektromagnetycznych. W sytuacji gdy elektron zmieni swoje pooenie w poziomach energetycznych (przejdzie na wyszy lub niszy, jego energia zmieni si - Trzeci postulat Bohra (warunek czstotliwoci Bohra) - przy przejciu elektronu z orbity o wikszej (mniejszej) liczbie n na orbit o mniejszej (wikszej) liczbie n atom emituje (absorbuje) kwant energii elektromagnetycznej. Energia kwantu jest równa rónicy energii elektronu na orbitach przed i po przejciu:
Czstoliwo kwantu (fotonu) emitowanego lub absorbowanego w wyniku przejcia jest równa:
Energia elektronu (a dokadniej jonu) wynosi:
gdzie odpowiednio - h - staa Plancka, R - staa Rydberga, Z - liczba atomowa pierwiastka, n - numer powoki.
RODZAJE WIDM
Przy pomocy spektroskopu R. Bunsen i G. Kirchoff wykryli w roku 1859 fakt, który sta si podstaw tzw. analizy widmowej. Okazao si mianowicie, e pobudzone do wiecenia gazy i pary daj charakterystyczne widma niecige. Moemy pobudzi do wiecenia par jakiego ciaa, np. metalu, wprowadzajc je do pomienia, moemy wytworzy wyadowania iskrowe midzy elektrodami z badanego metalu albo wreszcie wywoa wyadowania ukowe, przy czym jedna z elektrod uku musi by z badanego metalu; moemy te po prostu wywoa wyadowania elektryczne w parze danego metalu w lamach specjalnej konstrukcji. W tych wszystkich przypadkach obserwujemy charakterystyczne widmo zoone z oddzielnych linii. Widmo to charakteryzuje atomy pierwiastków, a nie drobiny chemiczne. Typowym przykadem widma tego rodzaju jest widmo sodu, które w dziedzinie widzialnej skada si z jednej linii ótej, tzw. linii D. Linia ta ma zupenie okrelone pooenie i odpowiada jej wiato o dokadnie okrelonej dugoci fali. cile biorc, przy uyciu przyrzdów o duej zdolnoci rozdzielczej okazuje si, e linia soud skada si z dwu linii pooonych bardzo blisko siebie: D1 i D2 o dugociach fali: D1 - 5895,932 i D2 - 5889,965 . óta linia D charakteryzuje wic widmo atomów sodu. Moemy j zauway wprowadzajc do pomienia palnika Bunsena dowolny zwizek sodu.
Kady pierwiastek ma swoje charakterystyczne widmo zoone z linii: przy dokadniejszym zbadaniu okazuje si, e linie te rozoone s w widmie wedug praw okrelonego typu, tworzc tzw. serie widmowe. Widma liniowe s charakterystycze dla rodzaju atomów w stanie gazu lub pary. Wynika std moliwo analizy widmowej, tzn. stwierdzenia obecnoci danego pierwiastka w badanej substancji przez zbadanie jej widma. Naley zauway, e dla pojawienia si widma liniowego charakteryzujcego atomy konieczna jest dysocjacja zwizków, w których skad te atomy wchodz. Dysocjacja taka wystpuje zawsze w warunkach wiecenia pomienia, uku lub iskry.
Metoda analizy widmowej jest bardzo czua; pozwala ona wykry np. ju 3* 10-7 mg sodu albo 10-7 mg litu. Z natenia linii moemy wywnioskowa o iloci danego pierwiastka, np. w stopie czy w jakim nieznanym zwizku, tak e analiza widmowa moe dawa równie wyniki ilociowe.
Omówione wyej widma s to tzw. widma liniowe (seryjne). Znamy inny jeszcze typ widma, tzw. widma pasmowe; charakteryzuj one ju nie atomy, a drobiny zwizków. Przy uyciu przyrzdów o duej zdolnoci rozsczepiajcej okazuje si, e widma pasmowe te skadaj si z duej iloci linii, uoonych jednak wedug innego prawa ni w widmach seryjnych.
Inaczej zachowuj si rozarzone ciaa stae i cieke oraz gazy pod duym cinieniem. Daj one widmo cige, obejmujce wszystkie barwy od czerwieni do fioletu. Rozkad nate w widmie zaley od rodzaju ciaa i jego temperatury; im wysza jest temperatura, tym bardziej maksimum natenia w widmie przesuwa si w stron fal krótkich.
Wszystkie omówione rodzaje widma s to tzw. widma emisyjne. Prócz nich znamy jeszcze inny rodzaj widm, tzw. widma absorpcyjne. Widma absorpcyjne moemy zaobserwowa, jeeli na drodze wiata pochodzcego ze róda o widmie cigym znajdzie si warstwa, np. gazu czy pary o temperaturze niszej ni temperatyra róda. Klasycznym przykadem widma absorpcyjnego jest dowiadczenie Kirchoffa. Za ródo wiata suy uk wglowy dajcy silne widmo cige. Pomidzy ukiem a szczelin spektroskopu ustawiamy pomie palnika Bunsena, zabarwiony na óto parami sodu. Temperatura pomienioa jest o wiele nisza ni temperatura uku. W widmie cigym pojawia si wówczas ciemna linia. Okazuje si, e linia ta zajmuje dokadnie to samo miejsce w widmie, które zajaby óta linia sodu, gdyby wieci sam tylko pomie sodowy. Jest to przykad ogólnej zasady Kirchoffa, wedug której linie absorpcyjne zajmuj dokadnie to samo pooenie w widmie, co odpowiednie linie emisyjne. Co prawda, przy dokadniejszym zbadaniu sprawa nie wyglda tak prosto. Okazuje si, e nie wszystkie linie emisyjnme mog wystpowa jako absorpcyjne, a tylko te sporód nich, które nale do okrelonych serii widmowych.
SPEKTROSKOP
Przyrzdem najczciej stosowanym do analizy promieniowania cia wieccych jest spektroskop pryzmatyczny. Zasadniczym jego elementem jest pryzmat z substancji przezroczystej, wykazujcej zjawisko dyspersji, czyli rozszczepienia barwnego wiata. Rozszczepienie to polega na zachowaniu rónej wartoci wspóczynnika zaamania wiata w zalenoci od jego rónej czstoci drga. Do analizy obszaru widzialnego promieniowania stosuje si pryzmaty ze szka o szczególnie silnej dyspersji. Po przejciu przez powierzchni promie rozszczepia si na skadowe promienie barwne dziki temu, e wspóczynniki zaamania dla rónych barw s róne. Jak wiemy, z barw wiata wie si odpowiednia czsto drga. Najsilniej zaamuje si promie fioletowy, o duej czstoci, najsabiej - promie czerwony o maej czstoci drga.
Dyspersja jest zasadnicz cech optyczn (obok redniego wspóczynnika zaamania) kadej substancji zaamujcej wiato. Miar dyspersji (rónej dla rónych orodków) jest rónica wspóczynników zaamania nF - nC dugoci fal wiata fioletowego i czerwonego - okrelonych przez odpowiednie linie Fraunhofera.
Druga cianka pryzmatu rozszczepiajcego wiato nie wpywa na sam proces rozszczepienia, jaki dokona si na pierwszej ciance. Zaamuje ona tylko jeszcze bardziej promienie skadowe powstae w wyniku rozszczepienia. Wstga barwna jaka powstaje na ekranie w wyniku dziaania rozszczepiajcego pryzmatu nosi nazw widma promieniowania wizki padajcej. Dokonanie szczegóowej analizy tego widma umoliwia nam wystpowanie rónych barw i rónych nate w widmie.
PRZEBIEG WICZENIA
wiczenie skada si z dwóch zasadniczych czci. Po wstpnym ustawieniu spektroskopu, ustawieniu szczeliny oraz lunetki przechodzimy do kalibracji urzdzenia. Do kolimatora przystawiamy próbk pierwiastka, którego widmo znamy i potrafimy okreli. W konkretnym przykadzie widmem znanym bya Rt (Hg). Regulujemy skal tak by pokrya si z prkami wiata i odczytujemy wartoci na skali. Nastpnie wykrelamy krzyw kalibracji (zaleno dziaek od dugoci fali). Od tego momentu nie wolno nam poruszy skali.
W drugiej czci wiczenia do spektroskopu przystawiamy próbk nieznanego pierwiastka i odczytujc pooenie prków na skali nanosimy dziaki na wykres krzywej kalibracji i odczytujemy warto na osi odcitych. Wartoci te s dugoci fal wysyanych przez dany pierwiastek. Nastpnie porównujemy dane z tablicami i analizujc wszystkie dugoci fal okrelamy jaki to pierwiastek.
POMIEARY I OBLICZENIA:
Staa siatki dyfrakcyjnej d=200 lini/minimetr |
|||||||
Rzd obrazu ugitego n |
Barwa |
Pooenie obrazu ugitego |
redni kt ugicia |
Dugo fali ë |
|||
|
|
Na prawo pozycja noniuszów |
Na lewo pozycja noniuszów |
|
|
||
|
|
A1 |
A2 |
B1 |
B2 |
|
|
I |
Niebieski |
349 |
1 |
354 |
5 |
4,5 |
15,69 |
II |
Biae |
13 |
2 |
349 |
338 |
336 |
81,34 |
III |
Zielone |
355 |
5 |
354 |
15 |
4,5 |
15,69 |
IV |
óte |
343 |
5 |
355 |
16 |
11,5 |
39,87 |
V |
Czerwone |
342 |
4 |
356 |
17 |
13 |
45 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Kolory Widma :
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Wzory:
redni kt ugicia - 
Dugo fali - 
Wnioski
Analiza pierwiastków przy pomocy spektroskopu jest bardzo precyzyjn metod i dajc wymienite wyniki. Jednake jak widzimy niedoskonao przyrzdów rzutuje w ogromnym stopniu na efekty pracy. W tym wiczeniu zgodnie z opisem naleao wykalibrowa spektroskop, a byo to niemoliwe gdy nie dao si zlikwidowa bdu paralaksy. Równie szczelina, przez któr wpadao wiato bya nierówna, a przesuwanie skali utrudnione. Wszystkie te czynniki wpyny na pomiary i uzyskane wyniki s waciwie uzyskane nie przez proste wykorzystanie krzywej kalibracji, a przez obliczanie róni pomidzy prkami i porównywanie z tablicami.
Wyszukiwarka