1. Wstęp.

Celem ćwiczenia jest wykreślenie krzywej dyspersji, wyznaczenie długości fal widma emitowanego przez badane źródła światła oraz zbadanie widm absorbcyjnych cieczy.

Światło białe przechodząc przez pryzmat ulega rozszczepieniu zwanym inaczej dyspersją. Fakt ,że światło słoneczne nie jest światłem jednorodnym lecz mieszaniną

„różnobarwnych” promieni odkrył w roku 1666 Isaac Newton. Promień światła białego rozszczepia się i powstaje barwne widmo o następującej kolejności barw: czerwone, pomarańczowe, żółte, zielone, niebieskie oraz fioletowe. Gdzie odpowiednio promieniowanie czerwone ma najmniejszą długość fali a fioletowe największą.

Ogólnie dyspersją światła możemy nazwać zależność prędkości fazowej ϑ światła od długości fali ϑ = f ( λ ).

Jeżeli rozszczepione przez pryzmat światło wychodzące z wąskiej szczeliny rzucimy na ekran, to na ekranie powstanie charakterystyczne dla danego światła widmo.

Rozróżniamy widma emisyjne oraz absorbcyjne.

Widmo emisyjne możemy podzielić na trzy rodzaje: ciągłe, liniowe ( atomowe ) i pasmowe ( cząsteczkowe ).

1. Widmo ciągłe dają rozżarzone ciała stałe i ciecze oraz gazy znajdujące się pod

dużym ciśnieniem.

2. Widmo liniowe dają atomy rozżarzonych gazów lub par metali.

3. Widmo pasmowe dają wzbudzone cząsteczki.

Z widmem absorbcyjnym mamy wtedy do czynienia jeżeli światło ze źródła dającego widmo ciągłe przechodzi przez warstwę gazu lub pary o temperaturze niższej niż temperatura źródła, a następnie zostaje rozłożone na widmo, to na tle widma ciągłego powstają ciemne linie. Linie te powstają w tych samych miejscach, w których powstawałyby linie w widmie emisyjnym danego gazu lub pary.

W ćwiczeniu posługiwać się będziemy przyrządem służącym do badania widm a zwanym spektroskopem. Spektroskop składa się z kolimatora, lunety, kołowej skali poziomej lub dodatkowej lunety. Ta dodatkowa luneta jest tak ustawiona, że wychodząca z niej równoległa wiązka odbija się od ściany pryzmatu i wpada do lunety głównej, przez którą obserwuje się widmo na tle skali. Pozwala to określić położenie poszczególnych linii lub granic pasm.

Jeżeli zewnętrzną soczewkę lunety głównej zastąpi się ekranem lub płytą fotograficzną, wówczas powstaje spektrograf, w którym obserwacja bezpośrednia jest zastąpiona fotograficzną.

Spektrograf może być zmieniony na monochromator, przez zastąpienie płyty fotograficznej szczeliną. Urządzenie takie umożliwia wyodrębnienie z widma jednego rodzaju promieniowania.

2. Przebieg ćwiczenia.

1. Wykreślenie krzywej dyspersji.

a) pierwszym krokiem jest włączenie do obwodu helową rurkę Plückera wg schematu

poniżej

b) należy ustawić spektroskop tak, by poszczególne prążki były dostatecznie wąskie i

wyraźnie widoczne

c) następnie włączyć pomocnicze źródło światła, oświetlić skalę Sk tak, by uzyskać

jasny jej obraz na tle widma

d) obserwując linie widmowe na tle skali odczytać ich położenia

e) dla każdej linii wypisać z tabeli widm odpowiednie długości fal i wykreślić krzywą

dyspersji

2. Wyznaczenie długości fal widma emitowanego przez badane źródła światła.

a) rurkę Plückera, której zawartość mamy zbadać, włączyć do obwodu zasilającego

( po wyłączeniu rurki wzorcowej ) i ustawić przed szczeliną kolimatora nie

zmieniając przy tym wzajemnego położenia pryzmatu, kolimatora i lunetki ze skalą,

przesuwając statywem rurek znaleźć wyrazisty obraz widma

b) odczytać położenie linii widma badanego na skali

c) z krzywej dyspersji odczytać długości fal badanego widma

d) powtórzyć powyższe czynności dla innej rurki

e) dokonać identyfikacji zawartości rurek

3. Badanie widm absorpcyjnych cieczy.

a) oświetlić szczelinę kolimatora spektroskopu światłem białym, wykorzystując odpowiedni statyw umieścić na drodze wiązki - przed szczeliną − puste naczynie

( kuwetę ), wyregulować jasność widma ciągłego i oświetlenia skali

b) zamienić pustą kuwetę na naczynie wypełnione cieczą badaną, zaobserwować otrzymane pasma absorpcji

3. Wyniki.

1. Sporządzenie krzywej dyspersji.

Nazwa gazu	Barwa linii widma	Położenie linii na skali X	Natężenie linii	Długość fali odczytana z tablic

2. Widma emisyjne.

Nr rurki z gazem	Barwa linii widmowej	Położenie linii na skali X	Natężenie linii	Długość fali odczytywana z wykresu (nm)	Nazwa gazu wypełniając- ego rurkę

3. Widma absorpcyjne.

Nazwa substancji absorbują- cej	Granice pasma				Barwa pasma pochłonię- tego	Stopień osłabienia (absorpcji)
		na skali		w długościach fal
		dolna X1	Górna X2	Dolna X1 (nm)	Górna X2 (nm)

4. Omówienie wyników.

Celem podpunktu pierwszego było wyznaczenie krzywej dyspersji to znaczy zależność λ=f(n). Wyładowanie w rurce Plückera wypełnionej helem po przejściu przez pryzmat daje widmo pasmowe. Wśród kolorów widma helu można wyróżnić kolory: ciemnoczerwony, czerwony, żółty, zielony, zielono-niebieski, indygo oraz fioletowy. Za pomocą spektroskopu niezmiernie łatwo wykreślić krzywą dyspersji ze względu na umieszczenie w tym urządzeniu dodatkowej lunety, na której znajduje się podziałka. W lunecie głównej obserwujemy widmo pasmowe na tle wyraźnej podziałki liniowej co daje nam możliwość odczytania położenia określonych barw widma. Długości poszczególnych fali λ odczytujemy z tabeli.

W podpunkcie numer dwa należało porównać widmo wzorcowe czyli badanego helu z nieznanym gazem. Na podstawie odczytów ze skali w spektroskopie oraz długości fal z wykonanej uprzednio krzywej dyspersji mieliśmy określić rodzaj badanego gazu

co okazało się niemożliwe do zrealizowania ponieważ mieliśmy trudność w określeniu kolorów widma badanego gazu, co w rezultacie było przeszkodą w odczytaniu długości fal widma badanego gazu. Ponieważ wyróżniliśmy siedem kolorów tj. ciemnoczerwony, czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, zielono-niebieski, fioletowy nie mogliśmy dopasować odpowiednich barw ponieważ żaden z pierwiastków umieszczonych w tabeli nie posiadał takiego widma. Innym błędem, który popełniliśmy przy odczycie było to, że skali porównawczej nie ustawiliśmy w tym samym miejscu, to znaczy odczyt barwy ciemnoczerwonej w gazie wzorcowym otrzymaliśmy 25 natomiast w gazie badanym 82. Błąd ten jednak dało się wyeliminować poprzez odjęcie od wyników gazu badanego liczby 57, która jest różnicą w odczycie obydwu barw ciemnoczerwonych. Z niewielką dozą prawdopodobieństwa mogliśmy określić, że badaną próbką mógł być neon bądź tlen ponieważ gazy te mają najbardziej zbliżone długości fal do naszych odczytów.

W podpunkcie numer trzy określaliśmy stopień absorpcji danego widma czyli

Linie Fraunhofera. Źródło światła umieszczone za pustą kuwetą daje widmo ciągłe.

Gdy światło przechodziło przez kuwetę z płynem na widmie obserwowanym w lunecie spektroskopu pojawiły się czarne pasy, które przedstawiały linie Fraunhofera.

Dana ciecz absorbowała inną długość fali. I tak w eozynie przerwa nastąpiła od barwy żółto-zielonej aż do fioletowej, w chlorofilu niewielka przerwa pomiędzy ciemnoczerwonym a czerwonym, osłabienie pomiędzy czerwonym a pomarańczowym, następne osłabienie nastąpiło w kolorze zielonym oraz pomiędzy kolorami zielonym i fioletowym. W CuSO₄ całkowita przerwa nastąpiła aż do koloru pomarańczowego później było widmo ciągłe.

5. Wnioski.

Badanie widm emitowanych przez różne związki za pomocą spektroskopu jest dobrym sposobem otrzymania krzywej dyspersji aczkolwiek nie zawsze tak dokładnej jak byśmy tego oczekiwali. Przy porównywaniu rodzaju badanego gazu należy zwrócić szczególną uwagę na to aby pasma były jak najostrzejsze oraz pomiary rozpoczynać od tego samego miejsca na skali pomiarowej. Trudności w uzyskaniu odpowiedniej ostrości obrazu doprowadzają nierzadko do pomyłek oraz niejasności.

W podpunktach jeden i dwa badaliśmy widma emisyjne, czyli takie, które powstają w wyniku rozłożenia światła emitowanego przez ciała świecące. Badanie widm pasmowych jest bardzo dobrym sposobem określania rodzajów pierwiastków w ciele emitującym widmo ponieważ każdy pierwiastek wysyła charakterystyczne dla niego widmo. Zależnie od natężenia linii widmowych można określić ilościową zawartość danego pierwiastka. Taki sposób określania zawartości pierwiastków nazywa się analizą spektralną. Przy badaniu widm absorpcyjnych można określić jaki pierwiastek występujący w widmie ciągłym substancji emitującej jest pochłaniany przez substancję absorbującą. I tak z naszych pomiarów wynika, że eozyna pochłania wodór, a chłorofil najprawdopodobniej tlen oraz częściowo wodór.

---