Badanie widm optycznych przy pomocy spektrometru

Dyspersja światła - rozszczepienie światła; zjawisko rozkładu światła na składowe barwne wywołane dyspersją, dyfrakcją lub interferencją fal świetlnych. Miarą dyspersji (różnej dla różnych ośrodków) jest różnica załamania długości fal światła fioletowego i czerwonego - określonych przez odpowiednie linie Fraunhofera. Rozszczepienie światła jest zjawiskiem niekorzystnym związane z dyspersją lub dyfrakcją eliminuje się przez użycie zestawów soczewek wykonanych z materiałów o różnych właściwościach dyspersyjnych, uzyskując w rezultacie światło skupione lub rozproszone ale nie rozczepione. W niektórych urządzeniach optycznych rozszczepienie światła wywołane dyspersją wykorzystuje się do badania składu widmowego światła.

Badania widm wykonujemy następującymi przyrządami:

• spektrometr optyczny z dodatkową lunetą

• spektrofotometr

• spektrograf

Spektroskop pryzmatyczny 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 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. Aby można było przyporządkować liniom, czyli barwom widmowym określone poło­żenie, spektroskop zaopatrzony jest w rurę R, która na jednym końcu ma skalę, a na drugim soczewkę. 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.

Rodzaje widm optycznych, powstanie i metody otrzymywania.

Wysyłanie, czyli emisja światła przez ciała świecące jest wynikiem przemian energetycznych zachodzących w atomach i cząsteczkach. Aby atom wysyłał światło, musi być pobudzony energetycznie. Przechodząc ze stanu pobudzonego do stanu normalnego atom zsyła promieniowanie w postaci fali elektromagnetycznej o częstości drgań, zależnej od jego struktury energetycznej. Różne atomy, w różnych sytuacjach energetyczny określonych budową chemiczną substancji i warunkami fizycznymi, emitują promieniowanie o różnych częściach. Przeprowadzenie analizy promieniowania wysyłanej przez daną substancję ma doniosłe znaczenie, gdyż może pozwolić na wysunięcie wniosków dotyczących budowy chemicznej substancji oraz jej stanu fizycznego.

Z widmami emisyjnymi mamy do czynienia obserwując bez­pośrednio ciała świecące. 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 Pobudzone do świecenia pary i gazy dają widmo nieciągłe, złożone z oddzielnych linii. Jest to tzw. zwane widmo liniowe. Widmo to charakteryzuje atomy pierwiastków, a nie cząsteczki. Każdy pierwiastek posiada swoje charakterystyczne widmo, złożone z linii rozmieszczonych według praw określonego typu. Linie te tworzą tzw. serie widmowe Odmienny typ widm liniowych dają gazy wieloatomowe, które emitują tzw. widma pasmowe, składające się z szeregu linii, zagęszczających się w pobliżu tzw. głowicy pasma. W celu otrzymania widm liniowych umieszczamy przed szczeliną spektroskopu bądź to rurki z rozrzedzonymi gazami, tzw. rurki Geisslera, które pobudza się do świecenia za pomocą wysokiego napięcia lub palnika. Obserwowane świecenie związane jest z jonami metali pobudzonymi termicznie. Prawidłową pozycję płomienia ustalamy tak, aby jasność obserwowanych linii była maksymalna.

Analizę widmową przepro­wadza bez zakłóceń struktury chemicznej substancji świecącej, na podstawie obserwacji tzw. widma pochłaniania lub inaczej, widma absorpcyjnego. Badaną substancję w postaci płytki lub roztworu znajdującego się w naczyniu płaskorównoległym umieszczamy przed szczeliną spektroskopu, na drodze wiązki światła białego, wysyłanego przez żarówkę. Cząsteczki substancji przenikanej przez światło białe pochłaniają w sposób selektywny pewne charakterystyczne obszary widmowe, zwane pasmami absorpcji. Występują one jako ciemne smugi w różnych miejscach widma ciągłego.

Niektóre ciała można pobudzić do świecenia przez naświetlanie ich światłem obcym, z zewnątrz. Ten rodzaj świecenia nazywamy fluore­scencją: Doświadczenia wykazały, że ten rodzaj świecenia jest również charaktery­styczny dla struktury chemicznej cząsteczek pobudzanej substancji. Widmo fluore­scencji otrzymujemy w sposób podobny, jak otrzymywaliśmy widma absorpcji, z tą różnicą, że w tym przypadku źródło światła białego - żarówkę - umieszczamy nie przed szczeliną kolimatora, lecz z boku, tak że wiązka światła pobudzającego biegnie prostopadle do osi kolimatora. Również i w tym przypadku - jeśli właściwie dobierzemy grubość warstwy lub stężenie substancji fluoryzującej - wy­raźnie zaznaczą się pasma fluorescencji. Świecenie fluorescencyjne, którego średnia długość fali pasma fluorescencji jest równa średniej długość fali pasma absorpcji światła pobudzającego, nazywamy świeceniem rezonansowym.

Przyrządy użyte podczas doświadczenia:

• spektrometr optyczny z dodatkową lunetą

• pryzmat

• lampa z zasilaczem

• rurki Plűckera z helem i z gazem który mamy zbadać

Wykonanie ćwiczenia.

Regulujemy ostrość spektrometru (patrząc przez lunetę na odległy przedmiot, wsuwając i wysuwając ruchomą część tubusa okularu), przenosimy przyrząd na stół, włączamy lampę aby oświetlić skalę M. Do obwodu zasilającego włączyliśmy rurkę Plűckera z helem (według schematu poniżej) i stawiamy w odległości 2-3 cm przed szczeliną kolimatora; przesuwamy w tubusie rurki R tak, by zobaczyć ostro obraz skali i widma helu. Następnie przystąpiliśmy do cechowania spektroskopu. Odczytujemy na skali położenie obserwowanych linii, widmowych i otrzymane war­tości zapisujemy w tabelce obserwacji, notujemy też względne na­tężenie danej linii. Później przystąpiliśmy do badania widm emisyjnych. W tym celu podłączyliśmy drugą rurkę z nieznanym gazem (według schematu poniżej) i ustawiliśmy przed szczeliną kolimatora. Tak samo jak dla helu odczytaliśmy barwę, położenie i natężenie linii widmowych i zapisaliśmy w tabelce.

Schemat połączeń elektrycznych do obserwacji wyładowań w gazie rozrzedzonym

(w rurkach Plűckera i Geisslera)

Tabela pomiarów

1. Sporządzenie krzywej dyspersji.

Nazwa Gazu	Barwa linii Widma	Położenie linii na skali X	Natężenie Linii	Długość fali odczytana z tablic
Hel	Ciemnoczerwona Czerwona Żółta Zielona zielono- niebieska niebieska indygo fioletowa	1,1 2,4 5,7 11,6 12,6 14,7 18,2 19,3	Silne Silne Silne Silne Słabe Silne Słabe Słabe	766,5 667,8 587,6 504,8 492,2 471,3 447,1 439,0

2. Widma emisyjne.

Nr rurki z gazem	Barwa linii widmowej	Położenie linii na skali X	Natężenie Linii	Długość fali Odczytywana z wykresu [nm]	Nazwa gazu wypełniającego rurkę
1	Ciemnoczerwona Czerwona Pomarańczowa Żółta Zielona Zielono- niebieska Niebieska	1,3 2,6 3,7 6,0 6,5 9,3 11,4	słabe silne silne silne słabe słabe słabe	720 662 632 582 572 530 502	neon

Omówienie wyników.

Po zapisaniu w tabelce położenie obserwowanych linii, widmowych, na­tężenie danej linii i koloru. Pozwoliło to łatwiej odszukać w tablicach widmowych długości fal różnych linii. Związek między długością fali, i położeniem na skali poszczególnych linii widmowych przedstawialiśmy graficznie w postaci tzw. krzywej dyspersji dla helu. Sporządziliśmy ją przez odmierzanie na osi x położenia na skali, a na osi y - długości fali odczytanej z tablic. Po wykonaniu wykresu mogliśmy przystąpić do odczytania i wpisania do tabeli długości fali. Po porównaniu długości fali odczytanej z krzywej i tablicy mogliśmy odszukać nazwę gazu wypełniającego rurkę Plűckera nr.1. Naszym zdaniem jest to neon, ponieważ nasza długość fali widmowych najmniej się różni od długości odczytanej z tablicy dla tego pierwiastka.

Barwa linii widmowej	Długość fali odczytywana [nm]
		z wykresu	z tablic
ciemnoczerwona czerwona pomarańczowa żółta zielona zielono- niebieska niebieska	720 662 632 582 572 530 502	724,5 640,2 614,3 585,2 540,0 -- 482,7

Ocena błędów.

Ze względu że przyjęliśmy skalę 1cm równy 20nm oceniliśmy długości fali z dokładnością do 2nm.

Na nasze błędy wpłynęły także: mała dokładność odczytu położeń prążków na skali oraz błędy natury graficznej powstałe przy sporządzaniu wykresu krzywej dyspersji.

Wnioski.

Widmem emisyjnym było widmo najprawdopodobniej neonu.

---