Politechnika
Częstochowska
Katedra Fizyki
ĆWICZENIE NR 19
TEMAT: Badanie widm optycznych przy pomocy
spektroskopu.
Wydz. Elektryczny
Grupa dziekańska III
Skład grupy:
Jasztal Mariusz
Osiecki Robert
I.WPROWADZENIE TEORETYCZNE.
1.Przegląd widm fal elektromagnetycznych. Położenie fal świetlnych w tym widmie.
Fale elektromagnetyczne mogą być wytwarzane w sposób naturalny lub sztuczny. Mogą się różnić długością fali, a więc i częstotliwością, natomiast wspólną ich cechą jest ta sama wartość prędkości rozchodzenia się w próżni. Gdy fale elektromagnetyczne rozchodzą się w jakimś ośrodku, wtedy na ogół prędkość rozchodzenia się fal będzie różna dla fal o różnych długościach (dyspersja).
Pojawiają się więc różnice w rozchodzeniu fal. Różnice między falami elektromagnetycznymi o różnych częstotliwościach uwydatniają się szczególnie wyraźnie w wytwarzaniu i wykrywaniu promieniowania elektromagnetycznego. Stąd właśnie pochodzi idea podziału fal na szereg zakresów. Kryterium podziału stanowią właściwości promieniowania, a także sposoby jego wykrywania i detekcji. Liczby określające zakres są w większości przybliżone, jeśli już jednak podaje się jakieś długości fal to zawsze w próżni. Widmo fal elektromagnetycznych nie jest ograniczone ani z dołu ani z góry, a poszczególne zakresy nachodzą na siebie.
Fale o częstotliwości najmniejszej nazywa się - falami radiowymi - ich zakres to ok. 30 cm, dzielą się na fale długie, średnie, krótkie oraz ultrakrótkie.
Fale elektromagnetyczne których zakres rozciąga się między 1mm - 30 cm to fale zwane mikrofalami.
Z mikrofalami graniczy zakres fal podczerwonych, które z kolei ciągną się do fal świetlnych, czyli takie które jest rejestrowane przez oko ludzkie (0.4-0.7 m.)
Najkrótsze fale świetlne - promieniowanie fioletowe, graniczą z tak zwanym nadfioletem którego dolną granicę stanowią fale o długości ok. 10nm.
Fale o długościach mniejszych od nadfioletu nazwane były falami X. Obecnie nazywa się je falami Roentgena, a zakres ich promieniowania jest między 10 nm do ok. kilku tysięcznych nanometra. Zakres ten graniczy z promieniowaniem gamma γ. Fale świetlne mają właściwości oddziaływania na oko ludzkie, przy czym dł. fali decyduje o barwie światła. W zależności od długości fali widmo światła ma 5 obszarów barwnych. Fale świetlne zawarte są w zakresie dł. fal od 0,36μm do 0,78μm
2.Zjawisko dyspersji światła. Rozszczepienie światła w pryzmacie.
Istota zjawiska DYSPERSJI - polega na tym że wchodzące w skład wiązki światła promienie o różnej dł. fali, a więc o różnych barwach , odchylają się w pryzmacie niejednakowo i wychodzą z niego jako rozdzielone promienie różnych barw. Padając na ekran tworzą barwną wstęgę świetlną, zwaną widmem światła białego. Pryzmat szklany rozszczepia światło białe dając widmo. Światło o barwie czerwonej załamuje się pod mniejszym kątem, a fioletowe pod większym.
Pryzmatem nazywamy każde ciało przezroczyste, ograniczone dwoma płaszczyznami przecinającymi się wzdłuż prostej zwanej krawędzią pryzmatu. Podwójne załamanie promienia powoduje jego odchylenie od kierunku pierwotnego o kąt δ, zwany kątem odchylenia pryzmatu (rys).
3.Rodzaje widm optycznych. Mechanizm ich powstawania i metody otrzymywania.
Wszystkie ciała pobudzone do świecenia wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub w podczerwieni i nadfiolecie oprócz widm emisyjnych znamy jeszcze widma absorpcyjne. Widma takie obserwujemy , gdy na drodze światła znajdzie się ciało np. gaz, ciecz, które pochłania promieniowanie elektromagnetyczne o określonych długościach fali. A dokładniej dzieje się to na zasadzie pochłaniania przez substancję fal o długości odpowiadającej stanowi energetycznemu atomu wywołującego emisję fali o tej samej długości. Wówczas z widma źródła światła zostają wycięte charakterystyczne linie lub całe pasma absorpcyjne. Po osiągnięciu stanu emisyjnego substancja rozprasz światło we wszystkich kierunkach.
Widma emisyjne dzielimy na:
Widma liniowe zwane też seryjnymi, wysłane przez nie oddziałujące pojedyncze atomy
danego pierwiastka, znajdującego się w stanie gazowym. Układają się one w
charakterystyczne serie, które można wyodrębnić w poszczególnych przeplatających się
liniach widmowych.
Widma pasmowe, charakteryzują na przykład cząsteczki związków chemicznych, czyli atomy oddziałujących ze sobą, a nie pojedyncze atomy.
Widma ciągłe obejmujące wszystkie barwy światła od czerwieni do fioletu charakteryzują rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod bardzo dużym ciśnieniem.
Najprostsze serie widmowe ma wodór w stanie rozrzedzonego gazu, dla innych pierwiastków zaobserwowano również serie widmowe w zakresie widzialnym, jak i w nadfiolecie i podczerwieni.
Serie widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego mają strukturę nieco odmienną od widm optycznych.
Na badaniu widma oparta jest fizykochemiczna metoda określania składu chemicznego substancji. Widmo jest odzwierciedleniem struktury atomów i cząstek, gdyż widmo każdego pierwiastka lub związku chemicznego występuje zawsze w takim samym układzie linii i pasm, ułożonych w tej samej kolejności.
4.Przyrządy do badań widm.
Wysyłanie, czyli emisja światła przez ciała świecące jest wynikiem przemian energetycznych zachodzących w atomach i cząsteczkach. Do badania widm można wykożystać zjawisko dyfrakcji - załamania fali na przeszkodzie (siatka dyfrakcyjna).Jednak przyrządem najczęściej stosowanym jest spektroskop pryzmatyczny, którego zasadniczym elementem jest pryzmat.
5.Istota, zastosowanie, czułość i dokładność analizy spektralnej.
Istotą analizy spektralnej jest obserwacja i badanie widm. Mamy tu do czynienia z widmami absorpcyjnymi i fluoroscencyjnymi.
Z widmami emisyjnymi mamy do czynienia obserwując bezpośrednio ciała świecące. Pobudzenie świecenia może być temperaturowe - ogrzewanie ciała do wysokiej temperatury. Ogrzane ciała stałe i ciecze wysyłają światło o widmie ciągłym, które obserwujemy jako nieprzerwaną smugę zawierającą barwy od czerwieni do fioletu. Widmo to otrzymujemy umieszczając przed szczeliną spektroskopu małą żarówkę matową. Zarówno analiza widma absorpcji i fluorescencji stanowią bardzo czułą metodę badań. Daje się w ten wykryć ilość substancji rzędu 10 -8 mg w 1 cm 2. Badanie tych widm to otwarta droga do badania gwiazd wg typów widmowych, grupujące gwiazdy wysyłające promieniowanie o zbliżonym wyglądzie widma. Typy widmowe gwiazd oznaczone literami O,A,B,F,G,K,M., różnią się również rozkładem natężenia promieniowania w widmie, a temperatura ich malej od O do M. Słońce należy do typu widmowego G.
II. Opracowanie wyników, tabele pomiarowe, wykresy.
1.Tabele pomiarowe:
a) KRZYWA DYSPERSJI
nazwa gazu |
barwa linii widma |
położenie linii na skali X |
natężenie linii |
dł. fali odczytana z tablic |
hel |
ciemno-czerwona |
1,0 |
słabo widoczna |
706,5 |
hel |
czerwona |
2,1 |
dobrze widoczna |
667,8 |
|
żółta |
5,5 |
dobrze widoczna |
587,6 |
hel |
zielona |
11,3 |
dobrze widoczna |
504,8 |
hel |
zielono-niebieska |
12,3 |
słabo widoczna |
492,2 |
hel |
niebieska |
14,5 |
średnio widoczna |
471,3 |
hel |
indygo |
16,3 |
b. słabo widoczna |
447,1 |
hel |
fioletowa |
17,7 |
dobrze widoczna |
439,0 |
b) WIDMA EMISYJNE
nr rurki z gazem |
barwa linii widmowej |
położenie linii na skali X |
natężenie linii |
długość fali odczytywana z wykresu |
nazwa gazu wypełniającego rurkę |
1 |
ciemno-czerwona |
0,9 1,1 1,7 2,3 2,4 |
średnie mocne |
674 |
neon |
1 |
czerwona |
2,6 3,1 3,3 3,6 3,8 |
silne |
620 |
neon |
1 |
pomarańczowa |
4,1 4,4 4,5 4,7 |
silne słabe |
598 |
neon |
1 |
żółta |
5,3 5,5 |
silne |
585 |
neon |
1 |
żółto-zielona |
6 6,5 |
słabe |
571 |
neon |
1 |
zielona |
8,5 |
słabe |
539 |
neon |
1 |
zielono-niebieska |
10,3 10,7 11,3 |
słabe |
522 |
neon |
1 |
fioletowa |
15,8 |
słabe |
466 |
neon |
c) WIDMA ABSORPCYJNE
nazwa substancji absorbują cej |
granice pasma
na skali dolna x1 |
granice pasma
na skali dolna x2 |
granice pasma
w dł. fal dolna x1 |
granice pasma
w dł. fal dolna x2 |
barwa pasma pochłoniętego |
stopień osłabienia (absorpcji) |
|
CUSO4 |
0 |
2,8 |
706,5 |
626 |
ciemno- czerwony |
mocny |
|
CUSO4 |
2,8 |
4,5 |
626 |
594 |
ciemno- czerwony, czerwony |
średni |
|
CUSO4 |
4,5 |
9 |
594 |
540 |
czerwony, pomarańczowy, żółty, zielono-żółty |
średni |
|
CUSO4 |
9 |
11 |
540 |
518 |
zielony, zielono-niebieski |
średni |
|
CUSO4 |
11 |
16 |
518 |
472 |
zielono-niebieski, niebieski |
średni |
|
CUSO4 |
16 |
20 |
472 |
439 |
fioletowy, ciemno-fioletowy |
silne |
|
CHLOROFIL |
0 |
1,5 |
706,5 |
662 |
ciemno-czerwony |
bardzo silny |
|
CHLOROFIL |
1,5 |
3,5 |
662 |
616 |
ciemno-czerwony, czerwony |
słaby |
|
CHLOROFIL |
3,5 |
7 |
616 |
564 |
czerwony, pomarańczowy, żółty, żółto-zielony |
słaby |
|
CHLOROFIL |
7 |
10 |
564 |
528 |
zielony, zielono-niebieski |
średni |
|
CHLOROFIL |
10 |
14,5 |
528 |
484 |
niebieski, niebiesko-fioletowy |
mocny |
|
CHLOROFIL |
14,5 |
20 |
484 |
439 |
fioletowy, ciemno-fioletowy |
silny |
|
EOZYNA |
0 |
4,5 |
706,5 |
594 |
ciemno-czerwony, czerwony, pomarańczowy |
bardzo silny |
|
EOZYNA |
4,5 |
5 |
594 |
586 |
pomarańczowy, jasno-pomarańczowy, żółty, żółto-zielony |
średni |
|
EOZYNA |
5 |
20 |
586 |
439 |
zielony, zielono-niebieski, niebieski, fioletowy, ciemno-fioletowy |
bardzo silny |
III. Wnioski i błędy pomiarowe.
pryzmat powoduje rozszczepienie wiązki światła białego
Do narysowania krzywej dyspersji posłużyło mi widmo emisyjne HELU (jest ono wyraźne i posiada osiem charakterystycznych linii).
Na osi OX przyjąłem podziałkę odpowiadającą podziałce spektroskopu czyli 10 mm na OX odpowiada 1 jednostce na podziałce spektroskopu. Błąd bezwzgłędny podziałki spektroskopu wynosi +-0,1 jednostki co odpowiada błędowi bezwzględnemu na osi OX +-1 mm.
Na osi OY określone są długości fal w zakresie od 400 nm do 750 nm gdzie 1mm odpowiada 4nm długości fali. Błąd bezwzględny wynosi +- 4nm.
krzywa dyspersji wykazuje, że jednakowym odległością linii widmowych na skali odpowiadają w różnych zakresach widma różne przyrosty długości fali.
najsilniej odchyla się promień fioletowy, a najsłabiej czerwony
następuje zagęszczenie linii części widma w obszarze czerwieni i rozsunięcie w obszarze widma niebieskiego i fioletowego
Na podstawie otrzymanej krzywej dyspersji i położenia poszczególnych linii widma emisyjnego badanej substancji wyznaczyłem przybliżone długości fal. Biorąc pod uwage natężenia linii przeanalizowałem widma emisyjne gazów zawarte w tabeli i wyznaczyłem NEON jako gaz wypełniający rurkę wyładowczą Pluckera.
Badając widma absorbcyjne trzech cieczy (CUSO4, Chlorofilu, Eozyny) otrzymałem charakterystyczne dla cieczy widma pasmowe występujące jako smugi na widmie światła białego.
Z pomiarów wynika iż, Eozyna pochłania fale od 555 nm i krótsze (niebieski i fioletowy). CUSO4 pochłania fale dłuższe od 607 nm (czerwony i ciemno-czerwony). Chlorofil pochłania trzy pasma. W dużym stopniu pochłaniane są pasma ciemno-czerwone (do 700 nm), czerwone (676 - 646 nm) i fioletowe (krótsze od 450 nm). Pasmo czwarte czerwone (700 - 676 nm) jest średnio osłabione.