POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

KATEDRA FIZYKI

LABORATORIUM Z FIZYKI

Ćwiczenie nr: 19

TEMAT: Badanie widm optycznych przy pomocy

spektroskopu.

WYDZ. ELEKTRYCZNY

GRUPA III

SEMESTR II

ZAGADNIENIA TEORETYCZNE

Ładunki elektryczne poruszające się z przyśpieszeniem lub wykonujące ruch drgający są źródłem fal elektromagnetycznych. Dla fal elektromagnetycznych zachodzą następujące zjawiska: odbicie, załamanie, dyspersja (zależność prędkości rozchodzenia się od długości fali), uginanie się (dyfrakcja), interferencja, polaryzacja. Różne rodzaje fal (promieniowania) mają tą samą naturę i różnią się między sobą jedynie długością (częstotliwością drgań).

Światło widzialne - częstotliwość - 10¹⁵-10¹⁴ [Hz] - energia fotonów - 10-7 [eV]

Rozszczepienie światła w pryzmacie. Światło białe przy przejściu przez pryzmat ulega rozszczepieniu (dyspersji). Polega to na zróżnicowaniu współczynników załamania w zależności od różnej częstotliwości drgań. Ogólnie mówiąc dyspersją nazywamy zależność prędkości fazowej v od długości fali:

v=f(λ)

przy czym jeśli dv/dλ>0, to światło o większej długości fali rozchodzi się z większą prędkością fazową i mówimy wtedy o dyspersji normalnej. Jeśli dv/dλ<0, to promieniowanie o większej długości fali rozchodzi się z mniejszą prędkością fazową i dyspersja jest anomalna. Przy dv/dλ=0 dyspersja nie występuje.

Zjawisko rozszczepiania ilustruje rysunek:

Na ekranie ustawionym poza szklanym pryzmatem prostopadle do promieni odchylonych powstaje widmo promieniowania białego. Jak widać współczynnik załamania jest mniejszy dla światła czerwonego niż dla fioletowego. Ponieważ barwa światła zależy od długości fali stąd też wynika, że każdej długości fali odpowiada inny współczynnik załamania:

Rozróżniamy widma trojakiego rodzaju:

• ciągłe - dają je rozżarzone ciała stałe i ciecze oraz gazy znajdujące się pod dużym ciśnieniem np. widmo słoneczne.

• liniowe - dają atomy rozżarzonych gazów lub par metali. Widmo liniowe składa się z oddzielnych linii barwnych. Linie tego widma tworzą tzw. serie. W obrębie jednej serii przy przejściu lii coraz krótszym długością fali linie zbliżają się do siebie, a po osiągnięciu pewnej granicy, zlewają się.

• pasmowe - dają wzbudzone cząstki. Widmo takie zawiera dużą liczbę linii, które zlewają się w poszczególne pasma.

Wyżej wymienione widma są widmami emisyjnymi, ponieważ powstają poprzez nałożenie światła emitowanego przez ciało świecące.

Widmo absorbcyjne - powstaje jeżeli światło ze źródła przechodzi przez warstwę gazu lub pary o niższej temperaturze niż temperatura źródła, a następnie zostaje rozłożone na widmo, to na tle tego widma powstają ciemne linie. Linie te powstają w tych samych miejscach, w których powstały by linie w widmie emisyjnym danego gazu lub pary.

Widmo fluorescencyjne - niektóre ciała można pobudzić do świecenia przez naświetlenie ich światłem obcym, z zewnątrz. Ten rodzaj świecenia jest charakterystyczny dla struktury chemicznej

pobudzanej substancji.

Przyrządy do badania widm to: spektrometry lub goniometry jednokołowe, spektroskopy, spektrografy.

Widmo dawane przez pryzmat nie jest czyste - poszczególne wiązki barwne zachodzą na siebie.

Czyste widmo możemy otrzymać przy pomocy układu optycznego zastosowanego w spektroskopie.

Typowy spektroskop składa się z kolimatora i lunetki podobnie jak spektrometr. Spektroskop posiada dodatkowy kolimator, w którym w miejscu szczeliny znajduje się podziałka. Działki i cyfry tej podziałki są przezroczyste, a tło nieprzezroczyste. Dodatkowy kolimator ustawiony jest tak, że jego światło odbija się od ścianki i pryzmatu bliżej lunetki i nakłada się na wiązkę przechodzącą przez pryzmat. Dzięki temu w lunetce na tle widma widzimy podziałkę, która pozwala na określenie poszczególnych linii widmowych.

Metoda analizy widmowej jest bardzo czuła. Pozwala ona wykryć ilość substancji rzędu 10^-7 mg

w 1 cm³ dla widm emisyjnych lub rzędu 10^-8 mg w 1 cm³ dla widm absorbcyjnych

i fluorescencyjnych.

TABELE POMIAROWE

1. Sporządzanie krzywej dyspersji (skalowanie spektroskopu)

Nazwa gazu	Barwa linii widma	Położenie linii na skali x [mm]	Natężenie linii (silna, słaba, itp.)	Długość fali odczytywana z tablic [nm]
	czerwona	2	słaba	706.5
	czerwona	14	b.silna	667.8
	żółta	48	b.silna	587.6
Hel	zielony	110	b.słaba	501.6
	zielono-niebieska	119	słaba	492.2
	niebieska	143	słaba	471.3
	fioletowa	177	słaba	439.0

2. Widma emisyjne

Nr rurki z gazem	Barwy linii widmowej	Położenie linii na skali x [mm]	Natężenie linii	Długość fali odczytywana z wykresu [nm]	Nazwa gazu wypełniającego rurkę
		3	b.słaba	702
		7	b.słaba	689
	czerwona	13	słaba	671
		14	słaba	668
		20	silna	650
		25	b.silna	638
		35	b.silna	612
	pomarańczowa	38	b.silna	606
		40	słaba	602
		43	słaba	595	NEON
		48	słaba	586
	żółta	50	b.silna	582
		55	słaba	574
	zielona	77	silna	542
		82	silna	536
	niebieska	105	b.słaba	507
		109	b.słaba	503

3. Widma absorbcyjne.

Nazwa	Gran	ice	pas	ma	Barwa	Stopień
substancji	na	skali	w długościach	fal	pasma	osłabienia
absorbującej	dolna x1	górna x2	dolna x1 [nm]	górna x2 [nm]	pochłoniętego	(absorbcja)
EOZYNA	10	67	680	556	zielona, fioletowa niebieska ciemnoczerw.
CUSO4	40	140	602	474	czerwona ciemnoczerw. fioletowa
HLOROFIL	28	120	631	492	niebieska fioletowa

Krzywa dyspersji. λ=f(x)

Wyniki i wnioski z ćwiczenia.

Po sporządzeniu krzywej dyspersji, która powstała z przeniesienia danych odczytanych przy badaniu rurki z chelem nanosimy na wykres dane odczytane przy badaniu rurki z gazem nieustalonym.

Dla odpowiednich wartości odczytanych z podziałki spektroskopu odczytujemy z wykresu dyspersji długości fali:

Barwa czerwona:

702 nm (b. słaba)

689 nm (b. słaba)

671 nm (b. słaba)

668 nm (słaba)

650 nm (silna)

638 nm (b. silna)

Barwa pomarańczowa:

612 nm (b. silna)

606 nm (b.silna)

602 nm (słaba)

595 nm (słaba)

Barwa żółta:

586 nm (słaba)

582 nm (b.silna)

574 nm (b.słaba)

Barwa zielona:

542 nm (silna)

536 nm (silna)

Barwa niebieska:

507 nm (b. słaba)

503 nm (b. słaba)

Porównując te wartości z danymi tablicowymi możemy stwierdzić, że w rurce znajdował się gaz o nazwie neon. Wszystkie wyżej wymienione barwy (długości fali) za wyjątkiem barwy niebieskiej przybliżeni pokrywają się z danymi tablicowymi. Długość fali barwy niebieskiej dla neonu wynosi

482.7 nm po odczytaniux wartości z wykresu wychodzi 503 ÷÷÷

---