Politechnika Śląska

Wydz. Inżynierii Środowiska

Grupa II -Studia wieczorowe

ANALIZA WIDMOWA

Sekcja 8 i 9

Tomasz Trela

Katarzyna Poloczek

Irena Skrzypek

1. Część teoretyczna

Widmem optycznym nazywamy obraz uzyskany w wyniku rozszczepienia promieniowania optycznego na składowe o różnych długościach fali.

Podział widma
ze względu na pochodzenie	ze względu na powstały obraz
emisyjne absorpcyjne luminescencyjne	liniowe pasmowe ciągłe

Powstawanie linii widmowych związane jest ze wzbudzaniem elektronów pojedynczych atomów . Elektron wzbudzonego atomu przechodzi ze stanu stacjonarnego do stanu wyższego i wracając wypromieniowuje energię w postaci kwantu ( fotonu ).

ΔW=h
. (1)

Linie widmowe powinny mieć szerokość „szczelinową” . W rzeczywistości obserwuje się nieznaczne poszerzenie linii , a odpowiedzialne za taki stan są zjawiska : efekt Dopplera , oddziaływanie międzycząsteczkowe oraz skończony czas życia elektronu w stanie wzbudzonym

Linie widmowe układają się w serie. Ze względu na prosta budowę atomu wodoru jego widmo emisyjne(absorpcyjne) posiada najprostsza strukturę. Linie widma układają się w określone serie, z których jedne zwana jest serią Balmera.

Do określenia długości linii widmowych poszczególnych serii dla innych pierwiastków wodoropodobnych stosujemy wzór Balmera, który został podany po raz pierwszy w roku 1885.

1/ λ=Z²R
, (2)

gdzie R=
(3)

R- stała Rydberga

m - masa elektronu ,

M - masa jądra,

R∞ - 1,09737 * 10

[ 1/m ] .

Widmo światła emitowane przez cząsteczki ma postać pasm złożonych z poszczególnych linii . W każ­dym paśmie przy brzegach linie zlewają się tworząc tzw. głowicę pasma . Ten potrójny obraz widma pasmowego odpowiada trzem rodzajom energii określających stan energetyczny cząsteczki :

W = We + Wo + Wr

Gdzie:

W - widmo całkowite

We - widmo elektronów

Wo - widmo oscylacyjne

Wr - widmo rotacyjne

Widmo ciągle jedna barwa przechodzi w druga, bez wyraźnej granicy (morphing), otrzymuje się je wtedy, gdy źródłem światła jest rozżarzone ciało stałe lub ciekle( np. widmo emisyjne światła żarówki lub Słońce)

2. Metoda pomiarowa

Do analizy widmowej stosuje się spektrografy ( pryzmatyczne , siatkowe , interferencyjne ) . Działanie spektrografu pryzmatycznego oparte jest na zjawisku dyspersji .

Dyspersją ( rozszczepieniem ) światła nazywamy zależność prędkości fazowej v światła w ośrodku od jego częstości υ .

v = c / n , gdzie c jest prędkością światła w próżni , n - współczynnikiem załamania ośrodka . Ponieważ c jest stała uniwersalną , jednakową dla fal elektromagnetycznych o dowolnej częstości , to występowanie dys­persji światła w ośrodku związane jest z tym, że współczynnik załamania n zależy od częstości ν . Zależność tę można łatwo zaobserwować przy przechodzeniu światła białego przez pryzmat wykonany z materiału przezro­czystego . Na ustawionym za pryzmatem ekranie obserwujemy pasek o zabarwieniu tęczowym , który nazywamy widmem dyspersyjnym .

Na zajęciach laboratoryjnych wykorzystamy jednak znacznie prostszy spektroskop .

Spektroskopy posiadają skalę liniową i wymagają każdorazowego cechowania . W tym celu stosując wzorcowe źródła światła o znanych długościach linii widmowych określamy ich położenie na tle skali i sporządzamy tzw. krzywą dyspersji ( zależność wskazań skali od długości fali ) .

W naszej pracowni jako wzorca używamy lampy rtęciowej, kadmowej oraz rurki Geislera wypełnionej neonem i substancja nieznaną.

3. Wyniki obliczeń oraz wykres (strona 7)

Tab. nr 1: SUBSTANCJA: RTĘĆ

Skala	Barwa	Intensywność	Długość fali [nm]
205	Żółty	Słaba	577,0
194	Żółty	Słaba	579,1
225	Zielony	Słaba	521,1
190	Zielony	Bardzo Mocny	546.1
411	Fioletowy	Mocny	435,8
294	Niebieska	Słaba	479.7

Tab. nr 2: SUBSTANCJA: KADM

Skala	Barwa	Intensywność	Długość fali [nm]
145	Czerwony	Słaby	632
151	Czerwony	Słaby	643,8
158	Pomarańczowy	Słaby	609,9
281	Zielony	Mocny	508,6
316	Niebieski	Średni	480,0
356	Indygo	Słaby	356

Tab. nr 3: SUBSTANCJA: NEON

Skala	Barwa	Intensywność	Długość fali [nm]
147	Czerwony	Mocny	514,5
152	Czerwony	Mocny	534,1
158	Czerwony	Mocny	597,5
164	Czerwony	Mocny	614,3
165	Pomarańczowy	Mocny	633,4
168	Pomarańczowy	Mocny	650,6
173	Pomarańczowy	Mocny	621,7
176	Pomarańczowy	Mocny	640
179	Pomarańczowy	Mocny	638,3
189	Pomarańczowo-żółty	Mocny	594,5
195	Pomarańczowo-żółty	Mocny	588,2
198	Pomarańczowo-żółty	Mocny	585,2
201	Pomarańczowo-żółty	Mocny	582

Tab. nr 4 : SUBSTANCJA NIEZNANA

Skala	Barwa	Intensywność	Długość fali [nm]
178	Zielony	Słaby	624,5
184	Zielony	mocny	604,1
279	Indygo	Bardzo mocny	379,6
331	Fioletowy	Słaby	293,9

4. Zestawienie wyników

Na podstawie danych z tabeli nr 1,2,3, wyznaczamy krzywą dyspersji .

Następnie, korzystając z otrzymanego wykresu, odczytujemy długości fal badanej substancji.

Otrzymane wyniki porównujemy z danymi zawartymi w tablicach linii widmowych

( Robert Respondowski, Laboratorium z fizyki, str. 425, tablica 12 ).

Po wnikliwej analizie dochodzimy do następujących wniosków :

- poszukiwaną substancją, której wyniki pomiarowe przedstawiono w tabeli nr 4, jest hel .

5. Wnioski

Ćwiczenie to miało za zadanie, zapoznanie nas z metoda badania składu np. wody, jak i również dzięki niemu możemy się dowiedzieć jak zbudowane są ciała oddalone od nas o miliony lat świetlnych. Właśnie dzięki tego analizie widmowej został odkryty pierwiastek przez nas szukany czyli hel, gdzie jego linie widmowe zostały zaobserwowane w widmie Słońca, a dopiero później znaleziono ów pierwiastek na Ziemi.

---