Ćwiczenie 72a: Analiza spektralna i pomiary spektrofotometryczne
1.Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z budową i zasadą działania spektralnych przyrządów optycznych: pryzmatycznych i dyfrakcyjnych, wyznaczanie optycznych widm emisyjnych i absorbcyjnych.
2.PRZYRZĄDY
Spektroskop
Lampy spektralne
3.Wprowadzenie.
Widmem optycznym nazywamy obraz uzyskany w wyniku rozszczepienia promieniowania polichromatycznego na składowe o rożnych długościach fal. W zależności od sposobu powstawania, widma dzielą się na emisyjne i absorpcyjne.
Widmo emisyjne, czyli widmo światła emitowanego przez daną substancję może mieć postać jasnych, barwnych prążków, kolorowych pasm lub zespołu barw przechodzących płynnie jedna w drugą.
Widmo złożone z barwnych ostrych prążków nazywamy widmem emisyjnym liniowym, a prążki liniami widmowymi. Widmo to jest obrazem zmian energii elektronów w atomie. Jeśli do atomu dostarczymy energię to część z jego elektronów przeskoczy na orbity odpowiadające większej energii. Takie wzbudzenie jest krótkotrwałe. Powracające elektrony wypromieniowują nadwyżkę energii w postaci kwantu światła (fotonu). Szerokość takiej linii widmowej powstałej z wypromieniowania przez elektron fotonu teoretycznie powinna być równa zeru, tak się jednak nie dzieje gdyż na obserwowane zjawisko nakłada się efekt dopplera, wzajemne oddziaływania pomiędzy atomami, oraz skończony czas życia elektronu w stanie wzbudzonym, w wyniku czego linia widmowa ulega poszerzeniu.
Widmo pasmowe emitują cząsteczki. Każdy układ pasm zawiera w sobie kilka kolorowych pasm, a pasma składają się z kilku linii widmowych. Wzbudzając cząsteczkę możemy zmienić energię elektronową, energię rotacji cząsteczki lub energię drgań jej atomów czyli energię oscylacji. Każda z trzech rodzajów energii emituje sobie właściwe linie widmowe natomiast jeśli emisja wszystkich trzech rodzajów energii wystąpi jednocześnie to otrzymamy widmo pasmowe.
Widmo ciągłe obserwujemy podczas świecenia całych powierzchni ciał stałych, cieczy i gazów pod dużym ciśnieniem. Wskutek silnych wzajemnych oddziaływań zachodzi tak silne poszerzenie linii widmowych ze poszczególne linie nakładają się na siebie.
Jeżeli wiązkę promieniowania polichromatycznego przepuścimy przez warstwę gazu, cieczy lub ciała stałego to uzyskamy widmo absorbcyjne na tle widma ciągłego, pochodzącego ze źródła polichromatycznego. Zaobserwujemy pojedyncze, ciemne linie lub pasma absorbcji.
Widma optyczne możemy obserwować przy pomocy spektrometrów, spektrografów lub spektrofotometrów.
3. Doświadczenia.
3.1. Cechowanie spektroskopu
Cechowanie spektrometru polega na jednoznacznym przypisaniu działkom skali w tubusie odpowiadających długości fali promieniowania. W tym celu należy szczelinę kolimatora oświetlić lampą spektralną i zapisać ilości działek odpowiadających poszczególnym liniom widmowym. W naszym przypadku źródłem widma jest lampa helowa i rtęciowa.
Brawa |
Lampa rtęciowa |
Lampa Helowa |
|
||||
|
|
|
|
|
Dł.fali |
||
ciemnoczerwony |
|
|
|
|
|
||
czerwony |
|
|
|
|
|
||
pamarańczowy |
|
|
|
|
|
||
żółty |
|
|
|
|
|
||
zielony |
|
|
|
|
|
||
niebieski |
|
|
|
|
|
||
indyko |
|
|
|
|
|
||
fioletowy |
|
|
|
|
|
||
3.1.2. Cechowanie spektroskopu - prezentacja graficzna
Na podstawie tabeli z punktu 2.1.1. możemy sporządzić wykres obrazujący zależność między ilością działek a odpowiadającą jej długością fali. Po połączaniu punktów charakterystycznych dla widma helu otrzymamy krzywą cechowania spektroskopu.
3.2. Badanie widma absorbcyjnego filtrów metodą spektroskopową
Jeżeli szczelinę kolimatora oświetlimy białum światłem, to rozszczepi się ono po przejściu przez pryzmat. Otrzymamy w ten sposób widmo ciągłe. Możemy teraz badać wpływ różnokolorowych filtrów na obsewrowane widmo przez ocenę stopnia pochłaniania światła przez te filtry.
3.2.1. Badanie widma absorbcyjnego filtrów metodą spektroskopową - wyniki pomiarów
Tabela 2
Filtr |
Dolna granica widma |
Górna granica widma |
Zmniejszenie natężenia |
||||||||
|
Pom. 1 |
Pom.2 |
Śr. |
λ |
Pom. 1 |
Pom. 2 |
Śr. |
λ |
Pom. 1 |
Pom. 2 |
Śr. |
|
[dz] |
[dz] |
[dz] |
[nm] |
[dz] |
[dz] |
[dz] |
[nm] |
[%] |
[%] |
[%] |
zielony |
15 |
20 |
17.5 |
622 |
190 |
180 |
185 |
??? |
60 |
63 |
61.5 |
czerwony |
0 |
0 |
0 |
707 |
20 |
20 |
20 |
616 |
10 |
7 |
8.5 |
3.3. Badanie widma absorbcyjnego filtrów metodą spektrofotometryczną
Przeprowadzimy teraz równoważne doświadczenie, używając jednak doskonalszego urządzenia - spekrtofotometru. Pomiary przeprowadzimy przy użyciu dokładnie tych samych filtrów, co poprzednio.
3.3.1. Badanie widma absorbcyjnego filtrów metodą spektroskopową - wyniki pomiarów
Długość |
Względna wartość transmisji |
|
badanej fali |
Filtr zielony |
Filtr czerwony |
[nm] |
[%] |
[%] |
410 |
2 |
0 |
420 |
3 |
0 |
430 |
4 |
0 |
440 |
4.5 |
0 |
450 |
5.5 |
0 |
460 |
10 |
0 |
470 |
16 |
0 |
480 |
23 |
0 |
490 |
32 |
0 |
500 |
40 |
0 |
510 |
47 |
0 |
520 |
50 |
0 |
530 |
50 |
0 |
540 |
45 |
0 |
550 |
38 |
0 |
Tabela 3
Długość |
Względna wartość transmisji |
|
badanej fali |
Filtr zielony |
Filtr czerwony |
[nm] |
[%] |
[%] |
560 |
30 |
0 |
570 |
23.5 |
0 |
580 |
17 |
0 |
590 |
9 |
0 |
600 |
6 |
3 |
610 |
4 |
20 |
620 |
2 |
40 |
630 |
2 |
56 |
640 |
2 |
72 |
650 |
2 |
85 |
660 |
2 |
90 |
670 |
1 |
92 |
680 |
1 |
94 |
690 |
0 |
95 |
700 |
0 |
97 |
3.3.2. Badanie widma absorbcyjnego filtrów metodą spektroskopową - prezentacja graficzna
4. Dyskusja błędów.
Podsumowując wykonane doświadczenia należy uwzględnić popełnione błędy. Ponieważ nie są znane dokładności używanych przyrządów przyjmujemy iż popełniany błąd odczytów wynosił 1 działkę przyrządu, so dla spektrometru oznzcza po prostu ±1 działkę, zaś dla spektrofotometru ±1%.
W tej sytuacji nalaeżałoby zapisać przykładowy wynik pierwszego pomiaru jako
123 ± 1 [dz] (Tabela 1), oraz drugiego pomiaru 15 ± 1 [dz] (Tabela 2) i wreszczie dla trzeciego pomiaru: 2 ± 1 % (Tabela 3). O ile w przypadku pierwszego i trzeciego pomiaru taki zapis ma jeszcze jakiś sens, to przy pomiarze widma absorbcyjnego jest on pozbawiony celu. Powodem tego jest bardzo duż subiektywność pomiaru, wynikająca z indywidualnych możliwości oka każdego eksperymentatora.
Należy też rozważyć błędy wynikające z uśredniania wartości pomiarów widma emisyjnego helu oraz widm absorbcyjnych filtrów (pomijając w rozważaniach błąd systematyczny). Skorzystamy tutaj ze wzoru:
,
gdzie n = 2. Podstawiamy:
,
Dla dwóch pomiarów mamy:
,
.
Nasz wzór przyjmie postać:
,
co oznacza, że średni błąd kwadratowy jest równy:
.
Tabela 1a
Długość fali |
Średnia ilość działek |
Średni błąd kwadratowy |
[nm] |
[dz] |
[dz] |
706.52 |
0.0 |
0.0 |
667.81 |
4.5 |
0.5 |
587.56 |
32.0 |
0.0 |
501.57 |
90.0 |
0.0 |
492.19 |
99.5 |
0.5 |
471.31 |
105.0 |
0.0 |
447.15 |
123.5 |
0.5 |
Możemy więc przepisać część tabeli 1 w nowej postaci:
Podobnie można obliczyć średni błąd kwadratowy średniej arytmetycznej pomiaru widma absorbcyjnego filtrów metodą spektrometryczną. Niestety gdzieś wkradł się błąd typu grubego - nie bardzo potrzafię zrozumieć w jaki sposób jest możliwe, by po wyskalowaniu spektrometru (pasek fioletu na 123.5 działki) nagle okazywało się, że filtr zielony przepuszcza oż do 185 działki. Spowodowane to było prawdopodobnie potrącemiem tubusa ze skalą podczas prowadzenia ćwiczenia.
5. Wnioski
Analizując wyniki doścwiadczenia zauważamy, że nasze niedoskonałe i bardzo subiektywne określenie widm absorbcyjnych filtrów przy pomocy spektroskopu praktycznie zostały potwierdzone przy zastosowaniu bardziej ambitnego urządzenia, jakim jest spektrofotometr (pokazują to naniesione na wykres transmisji filtrów wyliczone wartości średnie ze znaczących pomiarów, porównywane z naszymi ocenami zmniejszenia natężenia światła). Łatwo też zauważyć, że wykonane z jednego materiału filtry o różnym zabarwieniu mają inne widma obsorbcyjne. Widma te są charakterystyczne dla danej substancji i dzięki nim można na dobrze wyskalownym przyrządzie (np. sprektrometrze) na podstawie analizy widma ocenić skład i stężenie badanej substancji. Aby rzetelneie wyskalować spektrometr należałoby przeprowadzić analizę kilku widm o znanych długościach fal, i dopiero na podstawie tych analiz wykreślić krzywą charakterystyczną spektrometru.
RP
2