Słapiński Mariusz Białystok 02.23.1999

Elektronika i Telekomunikacja

Grupa C5

Ćwiczenie O-1

Badanie widm optycznych

Wszystkie ciała pobudzone do świecenia wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub w podczerwieni czy nadfiolecie. Widma taki nazywamy emisyjnymi.

Prócz widm emisyjnych znamy jeszcze widma absorpcyjne. Widma takie obserwujemy, gdy na drodze światła znajdzie się ciało, które pochłania promieniowanie elektromagnetyczne.

Widma emisyjne dzielimy na:

1. Widma liniowe zwane też seryjnymi, wysyłane 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.

2. Widma pasmowe, charakteryzują się na przykład cząstki związków chemicznych, czyli atomy oddziaływujące ze sobą, a nie pojedyncze atomy. Widma pasmowe rozszczepione przez przyrządy o szczególnie dużej zdolności rozdzielczej dzielą się na dużą liczbę bardzo bliskich linii widmowych, ułożonych według nieco innych praw niż linie w atomowych widmach seryjnych.

3. Widma ciągłe, obejmujące wszystkie barwy światła od czerwieni do fioletu, charakteryzują rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod bardzo dużym ciśnieniem. W tych przypadkach atomy jeszcze silniej oddziałują ze sobą. Rozkład natężenia zależy od rodzaju ciała i jego temperatury; im ona jest wyższa, tym bardziej maksimum natężenia w widmie przesuwa się w stronę fal krótkich. W widmie ciągłym wyróżnia się następujące barwy: czerwoną, pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską, fioletową.

Długość fal poszczególnych barw (nm)	Czerwona Pomarańczowa Żółta Zielona Niebieska Fioletowa
780
650
590
550
490
450
380

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. Najsilniej załamuje się promień fioletowy, o dużej częstości, najsłabiej promień czerwony o małej częstości drgań.

• Budowa spektroskopu

Spektroskop składa się z następujących elementów:

• pryzmatu, w którym następuje rozszczepienie wiązki światła na poszczególne wiązki barwne,

• kolimatora - rury, która z jednej strony ma wąską szczelinę, przed którą umieszczamy źródło światła, 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 równoległe - jest to warunek konieczny dla uzyskania widma czystego i ostrego,

• 
  lunety obserwacyjnej - rury zaopatrzonej w dwie soczewki - obiektywu i okularu. W płaszczyźnie ogniskowej obiektywu powstają barwne obrazy szczeliny, które stanowią widmo promieniowania wysyłanego przez źródło,

• lunetki z podziałką - rury, która w jednym końcu ma skalę, a w drugim soczewkę.

ZADANIE 1. Sporządzanie krzywej dyspersji.

Jeżeli spektroskop jest wyposażony w podziałkę liniową konieczne jest wykonanie krzywej dyspersji tj. przyporządkowanie podziałkom skali przyrządu odpowiednich długości fal. Dokonujemy tego używając światła substancji emitującej widmo liniowe. Do tego celu używane są rurki jarzeniowe wypełnione np. oparami rtęci. Daną rurkę umieszczamy przed szczeliną kolimatora w odległości dwóch - trzech centymetrów, ustalając jej pozycje tak by oglądane przez lunetę widma miały jak największą jasność. Odczytujemy na skali położenie obserwowanych linii widmowych i otrzymane wartości zapisujemy w tabelce obserwacji. Związek między długością fali i położeniem na skali poszczególnych linii widmowych przedstawiamy graficznie w postaci krzywej dyspersji.

Wykonanie ćwiczenia: (Przyrządy: spektroskop z liniową skalą, lampa rtęciowa, oświetlacz podziałki)

• lampę rtęciową ustawić w odległości 2 -3 cm przed szczeliną kolimatora spektroskopu,

• oświetlić skalę spektroskopu,

• spektroskop ustawić tak aby widzieć w lunecie widmo promieniowania lampy na tle podziałek skali (szczelinę kolimatora ustawić jak najmniejszą, ostrość reguluje się przez zmianę długości kolimatora),

• zanotować barwę linii i ich położenie na skali przyrządów,

Barwa linii	Długość fali [Å]	Położenie na skali
Czerwona	6123	0,85
Żółta	5791	2,70
Żółta	5770	2,80
Zielona	5461	4,75
Zielono - błękitna	4916	9,40
Niebieska	4358	17,30
Fioletowa	4078	Poza skalą

Wykreślić zależność położenia linii na skali od długości fali, czyli krzywą dyspersji przyrządów.

ZADANIE 2. Badanie widm optycznych.

Wykonanie ćwiczenia: (Przyrządy: spektroskop, rurki Geislera, induktor)

• wyłączyć i odstawić lampę rtęciową,

• nie zmieniając wzajemnego położenia kolimatora pryzmatu i lunetki, włączyć jako źródło światła rurkę wypełnioną badanym gazem, którego widmo należy określić,

• zanotować barwę linii i ich położenie na skali przyrządów,

Barwa linii:	Położenie na skali:	Długość fali [nm]	Gaz
Czerwona	0,95	610	Wodór H2
Żółto-zielony	3,60	565
Zielona	6,65	524
Zielono-niebieska	10,10	482
Niebieska	14,40	447
Czerwony	0,80	613		Neon Ne
Pomarańczowy	1,00	609
Żółty	2,35	584
Zielono-niebieski	10,00	483
Żółty	2,15	589		Hel He
Zielony	8,40	515
Zielono-niebieski	11,70	466
Niebieski	15,20	441
Żółta	2,00	590		(Nieoznaczony)
Zielono-niebieska	9,90	484

• posługując się krzywą dyspersji odczytać długości fal, odpowiadające liniom badanego widma.

UWAGA! Rurki Geislera zasilane są z induktora wysokim napięciem!

ZADANIE 3. Badanie widm absorpcyjnych.

Jeśli przyrząd służący do badani widm wyposażony jest w podziałkę metryczną to krzywa dyspersji jest zbyteczna.

Wykonanie ćwiczenia: (Przyrządy: spektroskop z podziałką metryczną /wartości podane w nm/, żarówka, autotransformator, naczynie, ciecze)

• spektroskop ustawić tak, aby widoczne w nim było ciągłe widmo żarówki na tle podziałek skali,

• nalać badanej cieczy do naczynia,

• ustawić naczynie wypełnione cieczą na drodze światła białego między żarówką i spektroskopem,

• zanotować obszary długości fal, w których nastąpiło pochłanianie światła,

• analogiczne czynności wykonać dla innych cieczy,

Substancja pochłaniająca:	Barwa pochłonięta:	Długość fali promieniowania pochłoniętego [nm]
KmnO4	Żółta	465-625
			Zielona
			Niebieska (fragment)
CuSO4	Czerwona (fragment)	Powyżej 700
Fluoroesceina	Zielony	Poniżej 550
			Niebieski
			Fioletowy

ZADANIE 4. Wnioski z pomiarów (przyczyny powstawania błędów)

Widmo optyczne otrzymuje się rozkładając wielobarwną wiązkę światła za pomocą spektroskopów na wiązki jednobarwne, którym odpowiadają określone częstotliwości fal . Ściślej mówiąc, rozdzielone wiązki światła nigdy nie są dokładnie jednobarwne, czyli nie mają jednakowej wartości v, z następujących powodów:

• przyrządy spektralne mają ograniczoną zdolność rozszczepiającą - rozdzielczą ; jest to cecha aparatury; im jest ona większa, tym więcej pojedynczych linii można wykryć w badanym widmie.

• Z samej istoty zjawiska; wzbudzony poziom energetyczny atomu, z którego zachodzi przejście elektronu i towarzyszące temu wysłanie fotonu, nigdy nie jest dokładnie określony; ma pewną niewielką szerokość związaną z ogólną zasadą nieoznaczoności Heisenberga.

• Ponadto w warunkach rzeczywistych na poszerzenie linii widmowych wpływają zjawiska związane z oddziaływaniem międzyatomowym oraz efekt Dopplera.

Innym czynnikiem wpływającym na dokładność pomiarów jest pewna ograniczona zdolność oka do odróżniania barw o przybliżonych odcieniach. Odpowiednie wyregulowanie spektroskopu może wyeliminować błąd paralaksy, który także nie jest bez znaczenia na wyniki pomiarów.

---