Badanie widm absorpcji i fluorescencji.

Podstawy teoretyczne:

Atomy i cząsteczki mogą pochłaniać (absorbować) i wysyłać (emitować) kwanty promieniowania elektromagnetycznego. Wyróżniamy podstawowe widma optyczne:

1. liniowe - Złożone ze ściśle określonych wyodrębnionych długości fal. Widmo liniowe powstaje w przypadku promieniowania emitowanego przez cząsteczki gazów w stanie wolnym. Najprostszym przykładem może być atom wodoru. Rysunek nr.1 przedstawia poziomy energetyczne atomu wodoru oraz przejścia między nimi, w wyniku których powstają obserwowane serie linii widmowych.

Poszczególne poziomy energetyczne w tym przypadku opisywane są równaniem Schrödingera:

gdzie n= 1,2,3...Czyli energia poszczególnych poziomów zależna jest jedynie od głównej liczby kwantowej.

v

Dla atomów wieloelektronowych sytuacja komplikuje się. Energia zależy również od pobocznej liczby kwantowej l, w związku z czym obserwuje się większą ilość poziomów energetycznych, co obrazuje rysunek nr.2

2.widmo pasmowe - emitowane przez cząstki wieloatomowe. Dla nich oprócz wymienionych wcześniej poziomów energetycznych obserwuje się także poziomy oscylacyjne oraz rotacyjne związane ze wzajemną orientacją przestrzenną atomów. Co prowadzi do tego, że obserwowane są jednocześnie przejścia elektronowo-oscylacyjno-rotacyjne prowadzące do skomplikowanej struktury pasmowej.

Analizując promieniowanie, które przeszło przez substancję absorbującą otrzymujemy widmo absorpcyjne. Absorbcja jest to pochłanianie promieniowania (np. światła, promieniowania korpuskularnego) przez ośrodek przez który promieniowanie to przechodzi. Zjawisko to polega na zamianie całej lub części energii na inną (np. wzbudzenie atomów). Widma absorbcyjne są to widma powstałe w wyniku pochłonięcia przez dane ciało dokładnie określonych długości fal.

W wyniku absorbcji kwantu promieniowania przez elektron uwięziony w atomie następuje przejście tego elektronu na wyższy poziom energetyczny. Stan taki (wzbudzony) nie jest stanem równowagi w wyniku czego następuje powrót elektronu do stanu podstawowego. Przejście elektronu z wyższego na niższy poziom energetyczny związane jest z emisją energii. Może ona być przekazywana do otoczenia lub wypromieniowywana w postaci fotonu. Przejście z emisją fotonu jest nazywane fluorescencją. Jeżeli emitowane promieniowanie ma jednakową częstość jak promieniowane absorbowane to zjawisko to nazywa się fluorescencją rezonansową. często jednak atomy (lub cząsteczki) powracają do stanu podstawowego poprzez stany pośrednie (rys.3). Wówczas promieniowanie emitowane ma częstość niższą niż promieniowanie wzbudzające. Zjawisko to tłumaczy odkryta w 1852r. przez Sir. W. Stokesa reguła empiryczna stwierdzająca, że w widmie fluorescencji winny jedynie występować długości fal większe od długości fali światła wzbudzającego (pasmo fluorescencji jest przesunięte w kierunku dłuższych fal w porównaniu z pasmem absorbcji).

Rys.3Krzywe potencjalne cząsteczki dwuatomowej w stanie podstawowym i wzbudzonym.

3. ciągłe - Reprezentowane przez fale elektromagnetyczne obejmujące zakres od nadfioletu poprzez widmo widzialne do podczerwieni. Ten rodzaj widma emitują ciała stałe.

Każdy pierwiastek charakteryzuje się specyficznym i niepowtarzalnym widmem.

Cel ćwiczenia:

Ćwiczenia ma na celu zapoznanie się ze zjawiskami absorbcji i fluorescencji, zbadanie optycznych widm barwników organicznych i na tej podstawie określenie granic pasm emisyjnych i absorbcyjnych. Korzystając z wykreślonej krzywej dyspersji należy również sprawdzić zgodność reguły Stokes'a.

Wykonanie ćwiczenia :

Przygotowano spektrometr według wskazówek prowadzącego ćwiczenie. Następnie ustawiono pryzmat na stoliku spektrometru w ten sposób, by wiązka liniowego żółtego widma neonu odchylona była minimalnie. W dalszej części mierzymy położenia kątowe lunetki odpowiadające najwyraźniejszym prążkom widma neonu. Po czym badamy widma absorpcyjne i emisyjne rodaminy i fluoresceiny. Na koniec mierzymy położenie zerowe lunetki.

Wyniki:

Zależność kąta odchylenia
od długości fali
dla widma neonu (wartości odczytane):

Kolor	Długość [nm]	Noniusz [ ^o]
czerwony	640,0	359^o28'
pomarańczowy	607,4	359^o18'
pomarańczowo-żółty	594,5	358^o28'
żółty	585,2	358°20'
zielony	540,0	357^o30'
zielony	537,5	357^o26'
zielony	534,1	357°00'
niebiesko-zielony	488,5	356^o30'
fioletowy	433,4	355^o30'

Na końcu ćwiczenia odczytaliśmy wartość dla położenia na wprost. Wyniosła ona: noniusz A:57^o28'+360^o00 = 417^o28' .

W celu wyznaczenia właściwej wartości skręcenia promieni w zależności od długości fali od danych zgromadzonych w tabeli odjęliśmy wartości „na wprost”.

Kolor	Długość [nm]	Noniusz [ ^o]
czerwony	640,0	58^o00'
pomarańczowy	607,4	58^o10'
pomarańczowo-żółty	594,5	59^o00'
żółty	585,2	59^o08'
zielony	540,0	59^o98'
zielony	537,5	60^o02'
zielony	534,1	60^o28'
niebiesko-zielony	488,5	60^o98'
fioletowy	433,4	61^o98'

W drugiej części ćwiczenia badaliśmy widma absorbcyjne roztworów: Rodaminy 6-G i fluoresceiny. Odczytane na spektrometrze zakresy kątowe pasm absorbcji wynoszą:

Absorbcja

Roztwory	Noniusz	A
	Przedział	wartości
Rodamina	358^o10'	357^o36'
Fluoresceina	357^o10'	do końca ^1)

¹⁾ oznaczenie do końca oznacza do końca widma widzialnego.

Odczytane na spektrometrze zakresy kątowe pasm fluorescencji wynoszą:

Fluorescencja

Roztwory	Noniusz	A
	Przedział	wartości
Rodamina	359^o00'	358^o00'
Fluoresceina	359^o00'	357^o12'

Dokonując identycznej operacji jak w przypadku linii neonu otrzymaliśmy następujące faktyczne wartości kąta skręcenia:

Absorbcja Fluorescencja

Roztwory	Noniusz	A	zakres λ (nm)	Noniusz	A	zakres λ (nm)
	Przedział	wartości		Przedział	wartości
Rodamina	59^o18'	59^o92'	541-580	58^o28'	59^o28'	575-605
Fluoresceina	60^o18'	do końca ^1)	433,4-537	58^o28'	60^o16'	537-605

Wartości długości fal wyznaczających środki pasm absorbcyjnego i fluorescencyjnego.

Roztwory	Absorbcja	Fluorescencja
	λ[nm]	λ[nm]
Rodamina	560,5	590
Fluoresceina	486	571

Energia:

Dla wybranego związku (rodaminy) obliczyliśmy także średnią wewnętrzną stratę energii dla jednego fotonu pomiędzy procesem absorpcji i emisji.

Wiedząc, że energia wyraża się wzorem:

E=

obliczyliśmy stosunek energii fotonu pochłoniętego (odpowiadającego długości fali 560,5nm) do wyemitowanego(590nm).

czyli

E₂=0,95E₁

E₁=2,2 eV

E₂=2,1 eV

Wynika z tego, że strata energii wynosi:

E₁- E₂=0,1 eV

Dyskusja błędów:

W ćwiczeniu uwzględniliśmy następujące błędy pomiarowe:

- niedokładność podziałki spektrometru
2'

- niedokładność określenia granic pasm spowodowana ich nieostrością

- błąd wynikający z szerokości szczeliny spektrometru

Błąd pomiaru kąta prążków widma neonu:

Ponieważ kąt odczytywany dwa razy (raz kąt odchylenia lini kalimator-luneta, raz kąt ustawienia początkowego) całkowity błąd odczytu kąta wynosi : ±4'

Δα=dokładność spektrometru+1/2 szerokości szczeliny kolimatora=08'

Błąd wyznaczenia granicy pasm wyznaczyliśmy wzrokowo i oceniliśmy na:

- dla absorbcji Δα=10'

- dla fluorescencji Δα=10'.

Błędy długości fal promieni świetlnych wyznaczono metodą graficzną.

Powyższe błędy przyczyniły się do poprawności wykreślenia krzywej dyspersji.

Wnioski:

Na podstawie sporządzonego wykresu krzywej dyspersji metodą graficzną wyznaczyliśmy wartości długości fal świetlnych w jakich zawierają się pasma absorbowane i emitowane przez dwa rodzaje roztworów. Na podstawie tych danych stwierdzamy, że długości fal emitowanych dla obu tych roztworów są większe od pochłanianych, czyli promieniowanie emitowane ma mniejszą energię niż pochłaniane. Widmo wypromieniowane jest więc przesunięte w kierunku fal dłuższych, co jest zgodne z regułą Stokesa. Wyniki naszego doświadczenia potwierdzają tę regułę.

---