Politechnika Śląska

Wydział Transportu

Katowice

Rok akademicki 2009/2010

Ćwiczenie laboratoryjne z fizyki

Sprawozdanie z ćwiczenia

Temat ćwiczenia:

„BADANIE ATOMOWYCH WIDM EMISYJNYCH GAZÓW I METALI.”

Grupa dziekańska: T11

Sekcja laboratoryjna: XI

1. Michał Kudela

2. Konrad Łysiak

3. Jaromir Bracki

Wstęp teoretyczny:

Analiza widmowa opiera się na zjawisku dyspersji fali elektromagnetycznej, czyli rozszczepieniu światła niejednobarwnego na barwy składowe. Fala elektromagnetyczna, jaką poddaje się analizie jest widmem wyemitowanym lub zaabsorbowanym przez pierwiastek.

Widmo to zbiór wszystkich częstotliwości fali elektromagnetycznej emitowanej przez pierwiastek. Ze względu na sposób powstawania rozróżniamy widma:

• Emisyjne - powstaje przy wzbudzeniu (elektrycznym bądź termicznym) pierwiastka (najczęściej gazu lub pary metalu). Wskutek takiego pobudzenia elektron przechodzi ze stanu stacjonarnego na wyższy poziom energetyczny (nietrwały) i wracając do poziomu podstawowego emituje kwant promieniowania (foton) o energii
  (gdzie h - stała Plancka, c - pr. światła, * - częstotliwość fali, * - długość fali, *W - energia wypromieniowana),

• Absorpcyjne - światło białe przechodząc przez gazy lub pary metali jest częściowo pochłaniane. Pochłaniane są przezeń dokładnie te same długości fal, które emituje dane ciało świecąc. W wyniku tego światło białe po przejściu przez pary jakiegoś pierwiastka nie daje już widma ciągłego. W miejscach, gdzie występują linie emisyjne pierwiastka tworzącego pary, w widmie ciągłym powstają przerwy.

• Luminescencyjne.

Widma emisyjne i absorpcyjne mogą być wykorzystywane do analizy widmowej.

Zjawisko dyspersji fali elektromagnetycznej wynika z faktu, że współczynnik załamania dla określonego środowiska zależy od długości światła (fali elektromagnetycznej).

Rozszczepienia światła dokonuje się za pomocą odpowiednich układów optycznych (pryzmatu, soczewki). Światło białe (jako mieszanina wszystkich długości fal widzialnych o częstotliwościach 400-710nm) przechodząc przez pryzmat - bryłę ograniczoną dwoma płaszczyznami tworzącymi ze sobą kąt * (inne płaszczyzny są dowolne) - ulega rozszczepieniu na barwy: czerwoną, pomarańczową, żółtą zieloną, niebieską i fioletową. Światło o poszczególnych barwach różni się długością fali. Obraz powstały na wskutek rozszczepienia światła białego nazywamy widmem ciągłym, ponieważ kolejne barwy przechodzą w sposób ciągły jedna w drugą. Widmo ciągłe możemy otrzymać poddając rozszczepieniu światło wysyłane przez ciała stałe i ciekłe podgrzane do wysokiej temperatury.

Gdy jako źródło światła wykorzystujemy gazy jednoatomowe, widmo składa się z pojedynczych prążków barwnych, których ilość i położenie jest inne i niepowtarzalne dla każdego gazu. Widmo takie pozwala nam na zidentyfikowanie atomów będących źródłem fali. Pomiarów położenia linii widmowych dokonuje się za pomocą spektrometru.

Chcąc wykonać analizę widmową musimy znać dokładnie długości fal poszczególnych linii. Długość fal możemy określić z położenia poszczególnych długości fal, znając tzw. krzywą cechowania monochromatora. Krzywa cechowania, jest to zależność długości fali od położenia linii (położenie jest mierzone w sposób umowny, ważne jest tylko, aby był to ten sam sposób dla wyznaczania krzywej oraz dla właściwych pomiarów przy badaniu nieznanego pierwiastka). Aby wyznaczyć przebieg krzywej cechowania monochromatora określamy położenie linii pierwiastka o znanym widmie i możliwie największym zakresie długości emitowanych fal (jeśli zachodzi taka potrzeba, można użyć więcej niż jednego pierwiastka).

Gazy o cząsteczkach dwu- i wieloatomowych dają widma pasmowe, w których nie występują pojedyncze linie o jednej tylko długości fali, lecz pasma na przemian jasne i ciemne.

Do identyfikacji pierwiastków nadaje się zarówno widmo emisyjne jak i widmo absorpcyjne.

Schemat stanowiska pomiarowego:

M - monochromator

Z - zasilacz

S - badane źródło promieniowania.

Opracowanie wyników:

1. Korzystając z danych tablicowych oraz wyników badań widma emisyjnego rtęci sporządzić wykres zależności długości fali obserwowanego w monochromatorze promieniowania od wskazania na skali monochromatora.

2. Wykorzystując sporządzoną krzywą cechowania monochromatora znaleźć długości fal promieniowania emitowanego przez badaną lampę spektralna.

3. Porównując długości fal zaobserwowanych linii widmowych z danymi tablicowymi identyfikujemy pierwiastki w przebadanych lampach spektralnych.

4. Dla każdej z linii H_α, H_β, H_γ widma wodoru obliczamy wartość stałej Rydberga ze wzoru
   

, gdzie

Następnie obliczyć wartość średnia i odpowiadające jej odchylenie standardowe.

Wyniki pomiarów i obliczenia:

Położenie, barwa linii widmowych dla lampy rtęciowej - zastosowanej do wykreślenia krzywej dyspersji.

Lampa rtęciowa
L.p.	Barwa	Długość fali pików λ [nm]	wskazanie monochromatora [^o]
1	fioletowa	404,7	1324
2	fioletowa	407,8	1388
3	fioletowa	435,8	1880
4	zielononiebieska	491,0	2550
5	zielona	546,0	2980
6	żółta	577,0	3150
7	żółta	579,1	3160
8	czerwona	623,4	3350

Położenie, intensywność i kolor linii widmowych dla lampy X.

Lampa X
L.p.	Barwa	wskazanie monochromatora [^o]	Długość fali λ odczytana z krzywej dyspersji [nm]
1	pomarańczowy	3325	618 ± 2
2	pomarańczowy	3220	592 ± 2
3	żółty	3175	582 ± 2
4	żółtozielony	3115	570 ± 2
5	zielony	2880	534 ± 2
6	zielononiebieski	2715	512 ± 2
7	zielononiebieski	2575	494 ± 2
8	fioletowy	2260	462 ± 2
9	fioletowy	2150	454 ± 2
10	fioletowy	1330	406 ± 2

Obliczanie wartości średniej dla n=10:

Obliczanie odchylenia standardowego:

Po porównaniu otrzymanych wartości długości fal z wartościami tablicowymi, możemy wnioskować, że badaną lampą X była lampa sodowa.Obliczenie stałej Rydberga

Do obliczenia stałej Rydberga korzystamy ze wzoru:

gdzie

ε_o - przenikalność elektryczna próżni = 8,854*10^-12[Fm^-1]

m - masa elektronu = 9,109*10 ^-31[kg]

h - stała Plancka = 6,626*10^-34 [J*s]

c - prędkość światła w próżni =299*10⁶ [m/s]

n - liczba kwantowa

Seria Lymana

n_i=1

n_j=2

Seria Lymana

n_i=1

n_j=3

Seria Lymana

n_i=1

n_j=4

Seria Lymana

n_i=1

n_j=5

Seria Lymana

n_i=1

n_j=6

Obliczenie wartości średniej dla n=5:

Obliczenie odchylenia standardowego:

Wartość obliczonej średniej stałej Rydberga:

Wartość tablicowa stałej Rydberga:

Porównanie obliczonej i tablicowej stałej Rydberga:

%

Wnioski:

Dzięki danym tablicowym oraz krzywej cechowania monochromatora, można określić pierwiastkową zawartość danej próbki. Cechowanie przeprowadzono na podstawie linii widmowych emitowanych przez lampę rtęciową .

Lampa spektralna X to lampa sodowa.

---