POLITECHNIKA ŚLĄSKA GLIWICE

Wydział Mechaniczny Technologiczny

kierunek mechanika i budowa maszyn

Analiza widmowa.

Sekcja 8

grupa 1

semestr3

Janusz Trzyna

Paweł Zabawczuk

Wstęp teoretyczny.

Widmem optycznym nazywamy obraz powstały wskutek rozszczepienia światła pochodzącego ze źródła rzeczywistego na składowe o różnej długości. Widmo optyczne otrzymuje się rozkładając wielobarwną wiązkę światła za pomocą spekrtoskopów na wiązki jednobarwne (ściśle mówiąc , rozdzielone wiązki światła nigdy nie są dokładnie jednobarwne) , którym odpowiadają określone częstotliwości fal.

Emisyjne widmo liniowe dają pobudzone do świecenia gazy oraz pary metali. Powstawanie linii widmowych związane jest elektronów pojedynczych atomów. Jeśli atom zostanie wzbudzony (termicznie , elektrycznie), to elektron przechodzi ze stanu stacjonarnego do stanu wyższego i wracając wypromieniowuje energię w postaci kwantu :

h = ΔW

Długości poszczególnych linii widmowych są charakterystyczne dla rodzaju substancji. Obecność określonej linii świadczy o obecności odpowiedniej substancji w źródle światła. Czułość takiej analizy jakościowej jest wysoka , ponieważ śladowe domieszki mogą być już zauważone.

Linie widmowe układają się w serie. Charakterystyczne są serie widmowe dla wodoru. W zakresie światła widzialnego długości fali kolejnych linii określa wzór Balmera:

λ =

gdzie b = 364,57nnm - stała , a k = 3, 4, 5.....Wzór ten możemy otrzymać bezpośrednio ze wzoru Rydberga :

ν =

gdzie R_H = 1,097*10 ⁷m.^-1 .

Ze wzrostem liczby k zmniejszają się odległości między liniami i praktycznie można znaleźć kilka pierwszych linii widmowych danej serii.do określenia linii widmowych poszczególnych serii widmowych dla innych pierwiastków można zastosować wzór :

v = R

Widmo światła emitowane przez cząsteczki ma postać pasm złożonych z poszczególnych linii. W każdym paśmie przy brzegach linie zlewają się tworząc tzw. granicę pasma. W przypadku pobudzenia do świecenia ciał stałych, cieczy lub gazów pod bardzo wysokim ciśnieniem otrzymujemy ciągłe widmo emisyjne. Wskutek bardzo dużych wzajemnych oddziaływań atomów lub cząsteczek poszczególne linie i pasma nachodzą na siebie.

Jeśli na drodze światła o ciągłym rozkładzie widmowym ustawimy warstwę gazu lub pary o temperaturze niższej niż temperatura źródła , to na tle widma ciągłego zaobserwuje się czarne linie odpowiadające liniom widma emisyjnego. Zgodnie z zasadą Kirchoffa, linie absorbcyjne zajmują to samo miejsce , co odpowiadające im linie danej substancji. Najbardziej znanym widmem absorbcyjnym jest widmo światła słonecznego.

Spektografia

Do analizy spektralnej (widmowej ) stosuje się spektografy pryzmatyczne , siatkowe i interferencyjne. Schemat najprostszego spektografu pryzmatycznego :

Światło przechodzi przez prostokątną szczelinę o szerokości ok. 20 μm. Soczewka skupiająca ustawiona w odległości f₁ daje wiązkę światła równoległego padającego na pryzmat pod kątem dającym minimum odchylenia. Soczewka o ogniskowej f₂ skupia na matówce promienie odpowiadające kolejnym liniom widmowym dając barwne obrazy szczeliny o szerokości powiększonej p. razy :

p.=

Działanie spektografu pryzmatycznego oparte jest na zjawisku dyspersji , polegającym na zależności prędkości światła od długości fali. Miarą dyspersji danego ośrodka jest pochodna :

D =

D_k =

gdzie D_k - dyspersja kątowa , ϕ - kąt łamiący

Dyspersję kątową można zwiększyć przez zastosowanie pryzmatów o dużym współczynniku załamania oraz budując układy pryzmatyczne. Dyspersja kątowa określa rozbieżność dwóch wiązek różniących się długością fal Δλ o jednostkę np. 1nm. Ta rozbieżność kątowa powoduje pewną odległość linii widmowych na ekranie. Dyspersją liniową spektografu jest przedział długości ekranu np.1nm . Wielkość ta zależy m.in. od kąta nachylenia ekranu. Ograniczenie zwiększenia dyspersji liniowej związane jest ze zjawiskami dyfrakcyjnymi na szczelinie spektografu. Można wykazać , że zdolność rozdzielcza spektografu zależy od szerokości podstawy pryzmatu a :

R =

gdzie Δλ - najmniejsza różnica długości fal rozróżniana w spektografie.

Przebieg ćwiczenia

1.Włanczamy zasilacz oświetlacza skali spektometru oraz lampę rtęciową ( ustawiając ją na osi kalimatora).

2.Regulujemy przyrząd ( ostrość, intensywność, zbieżność wiązek).

3.Kręcąc pokrętłem sterującym notujemy położenia linii widmowych. Linie ustawiamy na brzegu wyróżnionej ramki pola widzenia ( stosując subiektywną skalę bardzo jasna, jasna, średnia, słaba, bardzo słaba ).

4.Pododme pomiary wykonujemy z rurkami wypełnionymi neonem, helem i gazem nieznanym.

5.Rysujemy krzywą dyspersji (skalowania) spektometru.

6.Z wykresu określamy długości linii widmowych badanego gazu i za pomocą tablic linii sketralnych identyfikujemy go.

Wyniki pomiarów.

SKALA	BARWA	INTENSYWNOŚĆ		DŁUGOŚĆ FALI
S U B S T A N C J A R T Ę Ć
4,20	FIOLETOWA	1	BARDZO SŁABA	434,7
4,18	FIOLETOWA FILOETOWA	1	ŚREDNIA	421,7
4,13	FIOLETOWA	3	BARDZO JASNA	404,2
2,92	BŁĘKITNA	1	SŁABA	479,7
2,31	ZIELONA	1	BARDZO SŁABA	521,4
2,19	ZIELONA	3	JASNA	546,1
2,11	ZIELONA	1	ŚREDNIA	497,4
1,89	ŻÓŁTA Ż	1	BARDZO JASNA	577,0
1,87	ŻÓŁTA	1	JASNA	579,1
1,98	ŻÓŁTA	1	SŁABA	579,1
S U B S T A N C J A N E O N
1,12	CZERWONA	3	SŁABA	667,8
1,29	CZERWONA	4	ŚREDNIA	659,9
1,35	CZERWONA	4	ŚREDNIA	650,6
1,39	CZERWONA	5	JASNA	640,2
1,49	CZERWONA	4	ŚREDNIA	633,4
1,61	POMARAŃCZOWA	4	JASNA	6266,
1,66	POMARAŃCZOWA	4	ŚREDNIA	621,7
1,73	POMARAŃCZOWA	4	ŚREDNIA	616,4
1,78	POMARAŃCZOWA	4	ŚREDNIA	603,0
1,82	ŻÓŁTA	3	JASNA	565,7
1,85	ZIELONA	3	SŁABA	503,8
1,90	ZIELONA	4	ŚREDNIA	495,7
2,00	ZIELONA	3	SŁABA	533,1
2,26	BŁĘKITNA	5	JASNA	471,5
2,34	BŁĘKITNA	4	ŚREDNIA	471,2
2,72	BŁĘKITNA	4	SŁABA	471,0
3,00	NIEBIESKA	3	SŁABA	489,2
S U B S T A N C J A H E L
1,32	CZERWONY	1	SŁABA	656,0
1,35	CZERWONY	2	ŚREDNIA	667,8
1,80	POM.ŻÓŁTY	5	BARDZO SŁABA	587,6
1,85	POM.ŻÓŁTY	2	ŚRENIA	587,6
2,71	ZIELONY	1	SŁABA	541,5
2,76	ZIELONY	1	JASNA	501,6
2,90	ZIELONY	1	SŁABA	541,5
3,10	ZIELONY	1	SŁABA	541,5
3,29	ZIELONY	1	SŁABA	541,5
3,83	FIOLETOWY	1	SŁABA	402,6
S U B S T A N C J A B A D A N A
2,65	CZERWONY	4	ŚREDNIA	501,0
3,11	FILETOWY	1	ŚREDNIA	467,5
3,36	NIENIESKI	3	ŚREDNIA	441,25

Wnioski

Wyniki pomiarów są obarczone błędem wynikającym z niedokładności oka ludzkiego, określając intensywność zastosowaliśmy subiektywną skalę.

Spetrometr został wyskalowany za pomocą linii widmowych znanych gazów świecących(neon, hel, rtęć), a następnie zostały analizowane linie widmowe świecącej substancji badanej.

Po przeprowadzeniu obserwacji i analizie linii widmowych nieznanej lampy oraz odczytując z wykresu wartości długości λ otrzymujemy następujące wartości:

441,25 indygo - 470 - 440 nm,

467,50 indygo - 470 - 440 nm,

501,00 zielona - 495 - 555 nm.

Po porównaniu otrzymanych wyników z wartościami zawartymi w tablicach linii widmowych stwierdzamy, że badaną substancją może być sód.

7

---