Temat:

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE

1. Cel ćwiczenia:

a) zapoznanie się z zasadą działania, budową spektroskopu i spektrofotometru

Spekol,

b) skalowanie spektroskopu,

c) obserwacja widma emisyjnego oraz absorbcyjnego.

2. Wprowadzenie:

Widmo optyczne (spektrum) - to obraz uzyskany w wyniku rozszczepienia promieniowania polichromatycznego na składowe o różnych długościach fal.

Ze względu na sposób powstawania widma optyczne dzielimy na:
- absorpcyjne,
- emisyjne.

Widmo emisyjne jest to widmo światła emitowanego przez daną substancję, zaś absorpcyjne - pochłaniane, przy czym widma te są swoją odwrotnością ( emisyjne przedstawiają się jako prążki / pasma / zakresy światła na ciemnym tle, zaś absorpcyjne to ciemne prążki / pasma / zakresy na tle widma ciągłego, przepuszczanego przez warstwę substancji ).

Widmo złożone z barwnych, ostrych prążków jest to widmo emisyjne liniowe, każdy zaś prążek to linia widmowa. Każdej linii widmowej odpowiada określona długość fali, a więc wartość energii emitowanych fotonów. Powstanie linii widmowej związane jest ze strukturą atomu, który wyemitował dany kwant energii. Jak wiemy, energia w atomach jest skwantowana, tzn. przybiera jedynie ściśle określone wartości. W związku z tym przy wszelkich przejściach elektronu między orbitami związane jest z wyemitowaniem lub zaabsorbowaniem określonego kwantu promieniowania, czyli fali elektromagnetycznej o ściśle określonej długości. Powodem emisji promieniowania może być np. wzbudzenie termiczne atomu, wskutek którego elektron przechodzi na wyższy poziom energetyczny, gdzie czas jakiś przebywa, po czym wraca na swe dawne miejsce, przy czym emituje nadmiar energii w postaci fali elektromagnetycznej (w zakresie okolic światła widzialnego).

Zgodnie z modelem budowy atomu, szerokość linii widmowej powinna być bliska zeru, ale w wyniku efektu Dopplera, wzajemnych oddziaływań międzyatomowych oraz innych czynników obserwuje się poszerzenie linii widmowej. Widmo liniowe jest charakterystyczne dla pojedynczych atomów gazów. Widmo światła emitowanego przez cząsteczki ma bardziej skomplikowaną strukturę - jest ono pasmowe tzn. składa się z układu kolorowych pasm, każde pasmo zaś z ciągu linii widmowych, w każdym paśmie zaś linie zbiegają się u jego brzegów, tworząc tzw. głowicę pasma. Ta potrójna struktura widma cząsteczkowego odpowiada potrójnej strukturze energetycznej cząsteczki. Energia cząsteczki składa się z: energii elektronów atomów cząsteczki, energii drgań atomów wewnątrz cząsteczki oraz energii rotacji cząsteczki jako całości. Energię całkowitą cząsteczki można opisać wzorem:
E=Eel + Eosc + Erot,
gdzie:
E - energia całkowita cząsteczki,
Eel - energia elektronów,
Eosc - energia oscylacji,
Erot - energia rotacji.

Każdy z tych rodzajów energii jest skwantowany, więc odpowiada mu odpowiednie widmo fal świetlnych odpowiadających swą energią poszczególnym kwantom energii. Spośród tych trzech rodzajów energii najmniejsza jest energia rotacyjna, jej widmo mieści się w zakresie dalekiej podczerwieni. Kolejny rodzaj energii, energia oscylacyjna ma kilkadziesiąt razy większe wartości, widmo zmian energii oscylacyjnej zawiera się w zakresie bliskiej podczerwieni. Największe zmiany energii powodowane są przez przejścia elektronów, widmo odpowiadające tym przejściom energetycznym znajduje się w zakresie widzialnym i nadfioletowym.

Ostatni typ widma emisyjnego to widmo ciągłe. Obserwuje się je podczas świecenia ciał stałych, ciekłych oraz mocno sprężonych gazów. Wskutek silnych oddziaływań międzyatomowych zachodzi tu poszerzenie linii widmowych w takim stopniu, że poszczególne linie widmowe nakładają się i zacierają.

Jak już wspomniałem powyżej, widma absorpcyjne są odwrotnością widm emisyjnych, związane są z pochłanianiem przez substancje kwantów energii, które zezwalają na przejście elektronu, zmianę rotacji lub oscylacji. Po pewnym czasie elektron lub cząsteczka wraca do swego stanu podstawowego i emituje ten kwant promieniowania, ale emisja zachodzi w dowolnym kierunku, tylko niewielka część jest zgodna z kierunkiem przechodzenia linii światła z zewnątrz, a poza tym po drodze może dojść do powtórnej absorbcji.

Do obserwacji i rejestracji widm służą następujące przyrządy :

a ) spektroskop

Zasadniczą częścią spektroskopu jest pryzmat 5 , który dokonuje analizy badanego światła. Kolimator 2 ze szczeliną 3 i soczewką 4 służy do otrzymania wiązki promieni równoległych , lunetka 6 do bezpośredniej obserwacji widma. Kolimator podziałki 10 z oświetloną skalą 12 służy do wprowadzenia świetlnej podziałki , służącej do odczytu długości fali. Badane światło umieszcza się przed szczeliną kolimatora. Stamtąd w postaci równoległej wiązki trafia do pryzmatu , następnie po rozszczepieniu widma w pryzmacie kieruje się do lunetki. Do lunetki jest skierowany również po odbiciu od powierzchni pryzmatu obraz świetlny skali tworzony w kolimatorze podziałki. Spektroskop umożliwia obserwację widma w zakresie od dalekiej podczerwieni do ultrafioletu.

n

Rys.1 Schemat spektroskopu

1- źródło światła , 2- kolimator , 3- szczelina kolimatora , 4- obiektyw kolimatora , 5- pryzmat, 6- lunetka , 7- obiektyw lunetki , 8- krzyż celowniczy , 9- okular lunetki , 10- kolimator podziałki ,11- obiektyw kolimatora podziałki , 12- podziałka , 13- podświetlenie podziałki.

b ) spektrofotometr Spekol

Przyrządem fotometrycznym przeznaczonym do pracy w widzialnej części widma jest tzw. Spekol. Podstawową częścią przyrządu jest monochromator siatkowy. Zadaniem jego jest wydzielenie z widma ciągłego interesującego nas wycinka tego widma. Promieniowanie monochromatyczne wychodzące ze szczeliny wejściowej monochromatora jest przez kolimator kierowane w postaci równoległej wiązki na odbiciową siatkę dyfrakcyjną , która je spektralnie rozkłada na widmo. Wybieranie żądanej części widma odbywa się przez obrót siatki ( zmiana kąta padania ) za pomocą pokrętła. Pokrętło jest wyskalowane w nanometrach, dzięki czemu możemy dokonać bezpośredniego odczytu długości fali przepuszczanej części widma przez szczelinę monochromatora.

Rys2 Schemat spektrofotometru Spekol

3. Spis przyrządów :

1. Spektrofotometr Spekol

2. Spektroskop

3. Źródło światła ( żarówka, zasilacz )

4. Zestaw filtrów

5. Zestaw do wzorcowania spektroskopu

4. Przebieg ćwiczenia :

4.1 Skalowanie spektroskopu:

1. Oświetlić szczelinę kolimatora światłem z rurki Geislera napełnionej helem.

2. Ustawić maksymalną jasność, odpowiednią ostrość widma, oraz regulując szczelinę

Uzyskać możliwie najmniejszą szerokość linii widmowych.

3. Podobnie manipulując tubusem, ustawić odpowiedni obraz skali.

4. Odczytać na skali położenie każdej linii widma wzorcowego (He), posługując się tabelą 6 zidentyfikować długości fal odpowiadające poszczególnym liniom widma.

5. Wyniki zestawić w tabeli.

6. Wykreślić krzywą skalowania spektroskopu.

4.2 Badanie absorbcji filtrów za pomocą spektroskopu:

1. Oświetlić szczelinę kolimatora światłem białym. Wyregulować jasność widma tak, aby

była ona widoczna na tle skali.

2. Nałożyć poszczególne filtry, wynotować ze skali położenie przedziałów, w których światło zostało przepuszczone.

3. Sporządzić wykres ilustrujący powyższe wyniki.

4.3 Badanie absorbcji filtrów za pomocą spektrofotometru Spekol:

1. Postępując w/g instrukcji odczytać wartości transmisji dla długości fal w zakresie od 450 do 700 nm, zmieniając długość fali co 10 nm.

2. Na podstawie pomiarów sporządzić wykres T = f (
).

5. Tablice obliczeń i wyników pomiarów :

5.1 Skalowanie spektroskopu:

Lp.	Położenie prążka widmowego [dz]	Barwa prążka widmowego	Intensywność	Długość fali odczytana z tabeli [nm]
1	0	Czerwona	Bardzo silna	706.52
2	27	Żółta	Bardzo silna	587.56
3	78	Zielona	Średnia	501.57
4	92	Niebiesko-zielona	silna	492.19
5	107.5	Niebieska	Bardzo słaba	471.31
6	155.5	Fioletowa	słaba	447.15

1. Badanie absorbcji filtrów za pomocą spektroskopu:

Światło białe
Barwa	działki
Czerwona	0 17
Pomarańczowa	17 28
Zielona	28 65
Niebiesko-zielona	65 85
Niebieska	85 105
Fioletowa	105 200

Przepuszczalność dla poszczególnych filtrów:

• filtr zielony: 25
  76 działek
  25.5 %

• filtr czerwony: 0
  15 działek
  7.5 %

Obliczając stosowaliśmy wzór:

np.:

Dokładność odczytu
=
5 działek.

2. Badanie absorbcji filtrów za pomocą spektrofotometru Spekol:

	Długość fali	Filtr czerwony	Filtr zielony	Filtr fioletowy
Lp.	[ nm ]	TW [ % ]	TW [ % ]	TW [ % ]
1	450	0	4	70
2	460	0	0	55
3	470	0	1	38
4	480	0	14	24
5	490	0	24	11
6	500	0	32	1.5
7	510	0	40	0
8	520	0	43	0
9	530	0	42.5	0
10	540	0	37	0
11	550	0	30	0
12	560	0	25	0
13	570	0	13	0
14	580	0	5	0
15	590	0	0	0
16	600	0	0	0
17	610	11.5	0	0
18	620	32	0	0
19	630	50	0	0
20	640	66.5	0	0
21	650	81	0	0
22	660	87	0	0
23	670	89.5	0	0
24	680	91	0	0
25	690	96	0	0
26	700	92	0	0

6. Wnioski i dyskusja błędów:

Przeprowadzone ćwiczenie miało na celu: zapoznanie z zasadą budowy oraz działania spektroskopu i spektrofotometru Spekol, naukę skalowania spektroskopu, jak również obserwację widm emisyjnych i absorpcyjnych.

Skalowanie spektroskopu polegało na obserwacji widma emisyjnego helu i przyporządkowaniu dzięki temu punktom na skali odpowiednich wartości długości fal. Strefy kolorów widma dla światła białego w prawie pokrywają się z liniami widma wzorcowego helu. Powstałe różnice, wywołane są najprawdopodobniej małą dokładnością odczytu stref dla światła białego. Wiąże się to bezpośrednio z trudnością w rozgraniczeniu i przyporządkowaniu danego koloru do odpowiedniej strefy, jak również z subiektywną oceną koloru przez obserwatora (niedoskonałość ludzkiego oka, inna interpretacja barwy przez różne osoby).

Założenie filtrów, kolejno czerwonego i zielonego, pozwoliło na zaobserwowanie widma absorbcyjnego. Dla pierwszego z filtrów przedział, w którym światło zostało przepuszczone prawie idealnie pokrywa się z przedziałem barwy czerwonej widma dla światła białego. Przedział światła przepuszczonego dla filtru zielonego objął niewielką część przedziału barwy pomarańczowej oraz połowę przedziału barwy niebiesko-zielonej widma zaobserwowanego dla światła białego. Również w tym przypadku duży wpływ na wynik pomiaru miała interpretacja danej barwy i przyporządkowanie jej do odpowiedniej strefy barw.

W drugiej części ćwiczenia zajmowaliśmy się badaniem absorbcji trzech filtrów: czerwonego, zielonego oraz fioletowego, za pomocą spektrofotometru Spekol. Przy pomiarach absorpcji filtrów spektrofotometrem dyskusja błędów jest bezcelowa, gdyż nie posiadamy wzorców absorpcji. Największą dokładność uzyskujemy , dobierając tak grubość płytki by jej ekstynkcja mieściła się w granicach od 0,4 do 0,7. Minimalny błąd uzyskujemy podczas ekstynkcji 0,5. Otrzymaliśmy wynik pokazujący, że każdy z badanych filtrów przepuszczał jedynie fale, których długości odpowiadały barwie danego filtru. Pozostałe długości fal były silnie absorbowane.

W charakterystyce filtru czerwonego zwraca uwagę silny, wręcz lawinowy przyrost transmisji w przedziale długości fali 600-690 nm, podczas gdy fale o mniejszych długościach są prawie całkowicie pochłaniane. Zjawisko to jest szeroko wykorzystywane w technice (np. piloty na podczerwień mają montowane czerwone filtry).

W charakterystyce filtru zielonego warto zauważyć silny wzrost absorpcji dla fal o długościach 470-590 nm, a dla filtru fioletowego w przedziale 450-500 nm. Wszystkie trzy wartości mieszczą się w przedziałach odpowiadających światłu białemu. Pomiary były dokonane poprawnie o czym świadczą zbliżone wyniki obserwacji barw i widm.

1

1

---