POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
KATEDRA FIZYKI
ĆWICZENIE NR. 19
TEMAT: BADANIE WIDM OPTYCZNYCH PRZY POMOCY SPEKTROSKOPU
MIKOŁAJCZYK MARCIN
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
rok I grupa IV
Celem tego ćwiczenia jest zbadanie widma optycznego, jak i zapoznanie się z budową i zasadą działania spektroskopu.
Przechodząc ze stanu pobudzonego do stanu normalnego atom wysyła promieniowanie w postaci fali elektromagnetycznej o częstości drgań V, zależnej od jego struktury energetycznej. Fale radiowe, promieniowanie widzialne są falami elektromagnetycznymi. Poszczególne rodzaje tych fal tworzące widmo elektromagnetyczne różnią się długością fali. Widmo elektromagnetyczne nie ma określonych granic, a jego podział na przedziały długości fal ma charakter umowny i wynika zarówno ze sposobu wytwarzania, jak i z zastosowań objętych nimi rodzajów promieniowania. Przedziały te nie są ściśle ograniczone i wzajemnie zachodzą na siebie, przy czym niektóre rodzaje fal można wytwarzać różnymi sposobami.
Przedziały fal elektromagnetycznych o największych długościach od 10-5 m do powyżej 105m. stanowią fale radiowe, które dzielą się na bardzo długie, długie, średnie, krótkie, ultrakrótkie i mikrofale. Fale elektromagnetyczne o dł. Od 7,8 *10-7m. do 10-3m. nazywamy promieniowaniem podczerwonym. Fale leżące w przedziale dł. od 3,8*10-7
do 7,8*10-7m. są nazywane promieniowaniem widzialnym. Przedział falo dł. Od 10-10m. do 3,8*10-7m. zajmuje promieniowanie nad fioletowe. Promieniowanie X, czyli promieniowanie rentgenowskie zajmuje przedziały długości fali od 10-12m. do 10-8m. Od 10-14m. do 5*10-11m. rozciąga się przedział promieni .
Fale świetlne mają właściwości oddziaływania na oko ludzkie, przy czym dł. fali decyduje o barwie światła. W zależności od długości fali widmo światła na 5 obszarów barwnych. Fale świetlne zawarte są w zakresie dł. fal od 0,36μm do 0,78μm
Jeżeli równoległa wiązka światła białego zostanie rzucona na pryzmat, to prócz zjawiska dyspersji, czyli rozczepienia światła, ujawniające się w postaci barwnej smugi widocznej na ekranie, umieszczonym za pryzmatem.
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.
Wszystkie ciała pobudzone do świecenia wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub w podczerwieni. Widma takie nazywamy emisyjnymi. Widma absorpcyjne obserwujemy , gdy na drodze światła o widmie ciągłym znajdzie się ciało np. ciecz, gaz, które pochłania promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali. Wówczas z widma źródła światła zostają wycięte charakterystyczne linie - lub całe pasma - absorpcyjne. Widmo absorpcyjne jest jak gdyby odwróceniem widma emisyjnego. Widma emisyjne dzielimy na:
widma liniowe - wysyłane przez pojedyncze atomy danego pierwiastka w stanie gazowym
widma pasmowe - charakteryzujące cząsteczki związków chemicznych
widma ciągłe - obejmują wszystkie barwy światła od czerwieni do fioletu, charakteryzujące rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod dużym ciśnieniem.
Powstawanie widma ciągłego jest związane z przejściem cząsteczki z dyskretnych poziomów energetycznych do poziomów ciągłych , czemu odpowiada jonizacja lub dysocjacja cząsteczki na jony lub obojętne atomy.
Widma pasmowe powstają przy przejściu między poziomami energetycznymi swobodnych lub słabo ze sobą związanych cząsteczek.
Przyrządy służące do wyznaczania fali poszczególnych linii widmowych to spektroskop i spektograf.
Najczęściej stosowany jest spektroskop pryzmatyczny. Zasadniczym jego elementem jest pryzmat z substancji przezroczystej, wykazujący zjawisko dyspersji, czyli rozczepienia światła. Widmo dawane przez pryzmat nie jest czyste - poszczególne wiązki barwne zachodzą na siebie. Czyste widmo możemy otrzymać dopiero przy pomocy układu optycznego zastosowanego w spektroskopie pryzmatycznym.
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.
Do wykreślenia krzywej dyspersji jako źródło wzorcowe stosujemy wyładowanie w tzw. rurce Pluckesa i ustawiamy spektroskop tak by poszczególne prążki były dostatecznie wąskie i jasne. Następnie włączamy pomocnicze źródło światła i oświetlamy skalę tak aby uzyskać jej jasny obraz na tle widma.
Tabele pomiarów
1. Sporządzenie krzywej dyspersji
nazwa gazu |
barwa linii widma |
położenie linii na skali X |
natężenie linii |
dł. fali odczytana z tablic |
hel |
ciemno-czerwona |
0,3 |
słabo widoczna |
706,5 |
hel |
czerwona |
1,6 |
silna |
667,8 |
|
żółta |
5,5 |
bardzo silna |
587,6 |
hel |
zielona |
12,4 12,6 |
słaba silna |
504,8 |
hel |
zielono-niebieska |
13,7 |
słaba |
492,2 |
hel |
niebieska |
16,5 |
bardzo słaba |
471,3 |
hel |
indygo |
16,9 |
słaba |
447,1 |
hel |
fioletowa |
20,3 |
słaba |
439 |
2.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 |
I |
ciemno-czerwona |
0,4 0,6 0,9 1,3 1,7 2,6 |
średnie mocne |
674 |
neon |
I |
czerwona |
3 3,2 3,5 3,7 |
silne |
620 |
neon |
I |
pomarańczowa |
3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 |
silne słabe |
598 |
neon |
I |
żółta |
5,3 5,5 |
silne |
585 |
neon |
I |
żółto-zielona |
6 6,5 |
słabe |
571 |
neon |
I |
zielona |
8,8 9,3 |
słabe |
539 |
neon |
|
zielono-niebieska |
10,3 10,7 11,3 |
słabe |
522 |
neon |
I |
fioletowa |
15,8 |
słabe |
466 |
neon |
3.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 |
4.Wnioski
Podczas wykonywania tego ćwiczenia zapoznałem się z metodami badania widm, oraz ich rodzajami. Ćwiczenie rozpocząłem od włączenia przez autotransformator rurki Pluckera, przepinając wcześniej odpowiedni zacisk. Następnie ustawiłem spektroskop tak, by dostatecznie dokładnie widzieć poszczególne prążki, dokładnie widoczna była również skala. Zanotowałem położenie poszczególnych prążków, lecz nie są to dokładne przedziały w jakich dany kolor występuje , gdyż granice między poszczególnymi prążkami nie były wyraźne. Krzywą dyspersji wykreśliłem odczytując wcześniej z tabeli długości fal widmowych. Następnie przepiąłem zacisk na drugą rurkę. Po włączeniu rurki do sieci i odpowiednim ustawieniu spektroskopu odczytałem i zanotowałem położenie linii widma. Następnie z wykresu dyspersji odczytałem długości fal.
Na błąd popełniony przy wyznaczaniu długości fali wpływa niezbyt duża zdolność rozdzielcza pryzmatu, mała dokładność odczytu położeń prążków na skali oraz błędy natury graficznej, powstałe przy sporządzaniu krzywej dyspersji.