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.

---