LABORATORIUM Z FIZYKI

Katedra Fizyki

ĆWICZENIE NR 20

TEMAT: Badanie widm optycznych przy pomocy

spektroskopu.

Grupa dziekańska II

Skład grupy ćwiczącej:

Bieńkowski Michał

Kijas Konrad

I.WPROWADZENIE TEORETYCZNE

1.Przegląd widm fal elektromagnetycznych. Położenie fal świetlnych w tym widmie.

Fale elektromagnetyczne mogą być wytwarzane w sposób naturalny lub sztuczny. Mogą się różnić długością fali, a więc i częstotliwością, natomiast wspólną ich cechą jest ta sama wartość prędkości rozchodzenia się w próżni. Gdy fale elektromagnetyczne rozchodzą się w jakimś ośrodku, wtedy na ogół prędkość rozchodzenia się fal będzie różna dla fal o różnych długościach (dyspersja).

Pojawiają się więc różnice w rozchodzeniu fal. Różnice między falami elektromagnetycznymi o różnych częstotliwościach uwydatniają się szczególnie wyraźnie w wytwarzaniu i wykrywaniu promieniowania elektromagnetycznego. Stąd właśnie pochodzi idea podziału fal na szereg zakresów. Kryterium podziału stanowią właściwości promieniowania, a także sposoby jego wykrywania i detekcji. Liczby określające zakres są w większości przybliżone, jeśli już jednak podaje się jakieś długości fal to zawsze w próżni. Widmo fal elektromagnetycznych nie jest ograniczone ani z dołu ani z góry, a poszczególne zakresy nachodzą na siebie.

Fale o częstotliwości najmniejszej nazywa się - falami radiowymi - ich zakres to ok. 30 cm, dzielą się na fale długie, średnie, krótkie oraz ultrakrótkie.

Fale elektromagnetyczne których zakres rozciąga się między 1mm - 30 cm to fale zwane mikrofalami.

Z mikrofalami graniczy zakres fal podczerwonych, które z kolei ciągną się do fal świetlnych, czyli takie które jest rejestrowane przez oko ludzkie (0.4-0.7 mm.)

Najkrótsze fale świetlne - promieniowanie fioletowe, graniczą z tak zwanym nadfioletem którego dolną granicę stanowią fale o długości ok. 10nm.

Fale o długościach mniejszych od nadfioletu nazwane były falami X. Obecnie nazywa się je falami Roentgena, a zakres ich promieniowania jest między 10 nm do ok. kilku tysięcznych nanometra. Zakres ten graniczy z promieniowaniem gamma g. Widmo fal elektromagnetycznych przedstawia poniższy rysunek:

2.Zjawisko dyspersji światła. Rozszczepienie światła w pryzmacie.

Każde ciało, w którym również ciała izotropowe optycznie, wykazują zależności bezwzględnego współczynnika załamania od barwy światła, czyli od częstotliwości barwy światła - DYSPERSJA. Pryzmat szklany rozszczepia światło białe dając widmo. Światło o barwie czerwonej załamuje się pod mniejszym kątem, a fioletowe pod większym.

Pryzmatem nazywamy każde ciało przezroczyste, ograniczone dwoma płaszczyznami przecinającymi się wzdłuż prostej zwanej krawędzią pryzmatu. Podwójne załamanie promienia powoduje jego odchylenie od kierunku pierwotnego o kąt d, zwany kątem odchylenia pryzmatu (rys).

3.Rodzaje widm optycznych. Mechanizm ich powstawania i metody otrzymywania.

Wszystkie ciała pobudzone do świecenia wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub w podczerwieni i nadfiolecie oprócz widm emisyjnych znamy jeszcze widma absorpcyjne. Widma takie obserwujemy , gdy na drodze światła znajdzie się ciało np. gaz, ciecz, które pochłania promieniowanie elektromagnetyczne o określonych długościach fali. Wówczas z widma źródła światła zostają wycięte charakterystyczne linie lub całe pasma absorpcyjne.

Widma emisyjne dzielimy na:

0. widma liniowe zwane też seryjnymi, wysłane przez nie oddziałujące pojedyncze atomy danego pierwiastka, znajdującego się w stanie gazowym. Układają się one w charakterystyczne serie, które można wyodrębnić w poszczególnych przeplatających się liniach widmowych.

0. Widma pasmowe, charakteryzują na przykład cząsteczki związków chemicznych, czyli atomy oddziałujących ze sobą, a nie pojedyncze atomy.

0. Widma ciągłe obejmujące wszystkie barwy światła od czerwieni do fioletu charakteryzują rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod bardzo dużym ciśnieniem.

Najprostsze serie widmowe ma wodór w stanie rozrzedzonego gazu, dla innych pierwiastków zaobserwowano również serie widmowe w zakresie widzialnym, jak i w nadfiolecie i podczerwieni.

Serie widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego mają strukturę nieco odmienną od widm optycznych.

4.Przyrządy do badań widm.

Wysyłanie, czyli emisja światła przez ciała świecące jest wynikiem przemian energetycznych zachodzących w atomach i cząsteczkach. Przyrządem najczęściej stosowanym jest spektroskop pryzmatyczny, którego zasadniczym elementem jest pryzmat.

5.Istota, zastosowanie, czułość i dokładność analizy spektralnej.

Istotą analizy spektralnej jest obserwacja i badanie widm. Mamy tu do czynienia z widmami absorpcyjnymi i fluoroscencyjnymi.

Z widmami emisyjnymi mamy do czynienia obserwując bezpośrednio ciała świecące. Pobudzenie świecenia może być temperaturowe - ogrzewanie ciała do wysokiej temperatury. 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 matową. Istotą analizy spektralnej jest obserwacja i badanie widm. Mamy tu do czynienia z widmami absorpcyjnymi i fluoroscencyjnymi. Zarówno analiza widma absorpcji i fluorescencji stanowią bardzo czułą metodę badań. Daje się w ten wykryć ilość substancji rzędu 10 -8 mg w 1 cm 2. Badanie tych widm to otwarta droga do badania gwiazd wg typów widmowych, grupujące gwiazdy wysyłające promieniowanie o zbliżonym wyglądzie widma. Typy widmowe gwiazd oznaczone literami O,A,B,F,G,K,M., różnią się również rozkładem natężenia promieniowania w widmie, a temperatura ich malej od O do M. Słońce należy do typu widmowego G.

II. Opracowanie wyników, tabele pomiarowe, wykresy.

1.Tabele pomiarowe:

a) KRZYWA DYSPERSJI

Nazwa gazu Barwa linii widma Położenie na skali Natężenie linii Długość fali [10-9 nm]

czerwona 1.9 słabe 706.5

H czerwona 3 mocne 667.8

żółta 6 silne 587.6

E zielona 11.3 słabe 504.8

zielona 12 mocne 501.6

L indygo 14.1 słabe 447.1

fiolet 17 mocne 439

b) WIDMA EMISYJNE

Numer rurki z gazem Barwa lini widma Położenie linii na skali Natężenie linii Długość fali[10-9 nm] Nazwa gazu wypełniającego rurkę

czerwony 2.8 - 4.7 mocne 632.0 - 593.0

czerwony 4.7 - 5.4 słabe 593.0 - 578.0 N

II. pomarańczowy 5.6 - 6 słabe 574.0 - 570.0 E

żółty 6 - 6.5 mocne 570.0 - 560.0 O

zielony 8.6 - 11.5 b.silne 533.0 - 505.0 N

c) WIDMA ABSORPCYJNE

Nazwa substancji absorpcyjnej Granica pasma Barwa pochłoniętego pasma Stopień osłabienia

na skali mm w długości fali /nm./

dolna x 1 górna x 2 dolna x 1 górna x 2

CHLOROFIL 36 105 615 512 Niebieskie Całkowity

CuSO 4 67 185 555 440 Czerwone, pomarańczowe, żółte Całkowity

EOZYNA 25 80 640 540 Fioletowe Całkowity

III. Wnioski, błędy pomiarowe

Doświadczenie potwierdziło kilka pewników fizycznych:

0. pryzmat powoduje rozszczepienie wiązki światła białego

0. badane substancje wycinają pewien zakres widma które powstaje poprzez skierowanie na nie promienia światła białego

0. najsilniej odchyla się promień fioletowy, a najsłabiej czerwony

0. krzywa dyspersji wykazuje, że jednakowym odległością linii widmowych na skali odpowiadają w różnych zakresach widma różne przyrosty długości fali

0. następuje zagęszczenie linii części widma w obszarze czerwieni i rozsunięcie w obszarze widma niebieskiego i fioletowego.

BŁĘDY

0. można mówić o błędzie wzroku przy ocenianiu jasności i skalowaniu widm na skutek niedostatecznego stopnia akomodacji oka

0. znaczenie ma także mała rozdzielczość pryzmatu

0. rysowanie, a co za tym idzie odczyt wyników z wykresu.

---