Spektroskop i widma optyczne
Spektroskop - budowa i zasada działania
Zasada działania spektroskopu jest bardzo prosta. Sercem urządzenia jest pryzmat a więc, spektroskop wykorzystuje zjawisko dyspersji. Dyspersja polega na zmianach katą załamania się światła podczas przejścia z jednej substancji przezroczystej do drugiej, w zależności od jego długości. Jeżeli przepuścimy przez pryzmat światło białe uzyskamy tęczę w fizyce nazywaną profesjonalnie widmem. Dzieje się tak ponieważ światło białe jest mieszanką wszystkich długości światła.
W przyrodzie jednak znacznie częściej spotykamy sie ze źródłami światła, które emitują tylko niektóre długości. Po przejściu takiego światła przez pryzmat nie otrzymamy juz widma ciągłego ale tylko niektóre barwy. Wykorzystuje to nauka zwana spektroskopią, która zajmuje sie identyfikacja substancji na podstawie ich widm. Spektroskop to najprostsze urządzenie które wykorzystuje widma do identyfikacji substancji. Oprócz znajdującego się na nieruchomej tarczy pryzmatu, spektroskop składa się jeszcze z kolimatora i obracającej się wokół tarczy lunety. Kolimator to prosty przyrząd optyczny którego zadaniem jest skupienie do równoległej wiązki światła, które bezie przedmiotem badań, oraz skierowanie tej wiązki na pryzmat. Z drugiej strony spektroskop posiada obrotową lunetę. Pomiaru dokonuje sie poprzez obserwację widma przez lunetę. Jeżeli obserwator dostrzeże kolorowy prążek notuje kąt lunety, który następnie można zamienić na długość fal. Efektem takiego pomiaru jest zbiór długości fal świetlnych na podstawie których można zidentyfikować źródło światła.
Widma i ich podział
W powyższym opisie działania spektroskopu za przykład posłużyło emisyjne widmo liniowe. Nie jest to jednak jedyny rodzaj widma jakie możemy uzyskać w spektroskopie. Klasyczny podział widm prezentuje sie tak. Pod względem wyglądu widma.
Widmo ciągłe, czyli wspomniana juz tęcza bądź tez jej fragmenty.
Widmo liniowe składające sie z pojedynczych barwnych prążków. Takie widmo związane jest z rodzajem atomów z których składa sie badana substancje.
Widmo pasmowe ma postać szerszych barwnych pasów lub bardzo gęsto położonych prążków a jego powstawanie jest związane nie z energiami pojedynczych atomów a z energiami cząsteczek.
W dalszej części zajmować nas będą tylko widma liniowe, gdyż badanie polegające na identyfikacji pierwiastka na podstawie widma liniowego jest najprostsze.
Podział ze względu na sposób powstania.
Widmo emisyjne gdy badamy światło wyemitowane bezpośrednio przez badaną substancję. W taki sposób bada się gazy, które zostają elektrycznie pobudzone do świecenia.
Widmo absorpcyjne powstaje gdy na drodze światła białego umieścimy substancje pochłaniająca pewne jego długości, czego efektem będzie barwne widmo ciągłe z czarnymi prążkami.
Widmo emisyjne - sposób powstawania
Powiedzieliśmy już, że każdy pierwiastek możemy rozpoznać po jego widmie. Jak to się jednak dzieje, że każdy z pierwiastków emituje inne widmo, które możemy badać posiadając spektroskop? Wyjaśnienie tego zjawiska zapewnia orbitalny model budowy atomu Bohra. W1913 roku Bohr publikuje swoja prace w której proponuje nowe, odważne postulaty dotyczące budowy atomów. Mimo iż teoria ta wyjaśniały wystarczająco dobrze tylko budowę atomów wodoropodobnych, stała się ona milowym krokiem w rozwoju fizyki, prowadzącym do powstania mechaniki kwantowej. Dla nas ważne są jednak te jej elementy, które tłumaczą jak powstają widma spektralne. Według postulatów Bohra posiadające ujemny ładunek elektrony krążą wokół dodatniego jądra po orbitach kołowych. Co więcej orbity te nie mogą być dowolne a jedynie takie, dla których moment pędu równa się wielokrotności stałej Plancka podzielonej przez dwa pi. Możemy więc powiedzieć, że są one skwantowane. Kwantyzacja to pojęcie wprowadzone właśnie przez Plancka, który badając promieniowanie ciała doskonale czarnego stwierdził, że promieniuje ono nie w sposób ciągły lecz bardzo małymi porcjami zależnymi od pewnej stałej, która dziś nazywamy jego imieniem. Kwantyzacja orbit elektronów według Bhora pociąga za sobą także kwantyzacje ich energii. Elektron będący na danej orbicie ma ściśle określona energię. Skoro elektron nie może przyjmować dowolnych połażeń zmiana orbity następuje skokowo. Wiąże się to oczywiście ze zmianą jego energii która w takich warunkach również posiada naturę skwantowaną. Widzimy więc, że zmianie orbity towarzyszy wypromieniowanie lub też absorpcja określonej porcji( kwantu) energii, dla każdej pary orbit innej. Długość fali odpowiadającej tej energii możemy obliczyć ze wzoru:
E1-E2=hv
E1, E2 -energie elektronu na orbitach
h - stała Plancka
v -czestotliwosc fali
Cześć tego przedziału przypada na długości widzialne dla człowieka. Dokładnie jest to tak zwana seria Balmera, która powstaje podczas przejścia z wyższych orbit na orbitę drugą. Widmo emisyjne powstanie nam jeżeli będziemy obserwować np. dostarczając próbce gazu energię za pomocą wyładowań elektrycznych. Elektrony w atomach gazu zaabsorbują ta energie przechodząc na wyższe orbity, po czym będą spontanicznie przechodzić na orbity niższe emitując przy tym kwanty energii a więc określone długości fali elektromagnetycznej. Widmo emisyjne to właśnie światło o tych długościach. Wspomniane wcześniej widmo absorpcyjne powstaje natomiast gdy elektrony będą pochłaniać ze światła o szerokim spektrum długości fal odpowiadające określonym przeskokom z orbit niższych na wyższe.
Wyszukiwarka