POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

W CZĘSTOCHOWIE

Instytut Fizyki

Ćwiczenie nr 19

TEMAT: Badanie widm optycznych przy pomocy spektroskopu.

I. Wstęp teoretyczny.

1. Przegląd widm fal elektromagnetycznych. Położenie fal świetlnych w tym widmie.

Obraz otrzymany na skutek rozszczepienia światła białego nazywamy widmem.

Zarówno pole elektryczne jak i pole magnetyczne przemieszczają się w sposób falowy z prędkością c, stąd też taką falę nazywamy falą elektromagnetyczną. Jest to fala poprzeczna, co oznacza, że natężenia pól elektrycznego i magnetycznego drgają w kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się, jak również wzajemnie prostopadłych. Fale świetlne są tego samego rodzaju co fale radiowe i różnią się tylko długością.

Fale elektromagnetyczne są w przyrodzie bardzo rozpowszechnione, a ich własności w znacznym stopniu zależą od długości fali. W tab. 1.1 podano wykaz fal elektromagnetycznych.

1.1

2. Zjawisko dyspersji światła, rozszczepienie światła w pryzmacie.

Wartości współczynnika załamania dla fal świetlnych zależą od ich długości, czyli od barwy światła. Zjawisko to nosi nazwę dyspersji. Dla wszystkich ciał przezroczystych współczynnik załamania maleje ze wzrostem długości fal świetlnych. Własności dyspersyjne substancji charakteryzuje się za pomocą pojęcia średniej dyspersji: nF-nC lub współczynnika dyspersji v, zwanego również liczbą Abbego

gdzie nF i nC są odpowiednio współczynnikami załamania dla niebieskiej i czerwonej linii wodoru.

Promień światła białego padający na pryzmat zostaje wskutek zjawiska dyspersji rozszczepiony na wiązkę promieni barwnych (rys 2.1), przy czym kąt odchylenia δ_F dla promieni fioletowych będzie większy od kąta odchylenia δ_c dla promieni czerwonych. Rzucając rozszczepioną wiązkę promieni na ekran, zaobserwuje się na nim widmo w postaci barwnej, tęczowej wstęgi.

Pryzmaty służące do rozszczepiania światła noszą nazwę pryzmatów spektralnych lub dyspersyjnych. Ich własności rozszczepiające i użytkowe charakteryzuje się za pomocą pojęcia dyspersji kątowej D oraz pojęcia spektralnej zdolności rozdzielczej R określanych jako

D=Δδ/Δλ R=λ/Δλ

Rys. 2.1 Rozszczepienie światła w pryzmacie.

3. Rodzaje widm optycznych, mechanizm ich powstawania i metody otrzymywania

Gdy poszczególne barwy widma przechodzą w sposób ciągły jedna w drugą, wtedy widmo nazywamy ciągłym. Widmo ciągłe otrzymujemy rozszczepiając światło wysyłane przez ciała stałe i ciekłe podgrzane do wysokiej temperatury.

Gazy o cząsteczkach dwu- i wieloatomowych dają widma pasmowe, w których nie występują pojedynczej linie o określonej jednej tylko długości fali, lecz pasma na przemian jasne i ciemne. Widma pasmowe otrzymujemy również w przypadku fotoluminescencji, czyli świecenia wzbudzonego innym światłem, np. żarówką oświetlającą z boku światło, którego widmo badamy.

Światło białe przechodząc przez pary doznaje pochłaniania. Pochłaniane są dokładnie te same długości fal, które dane ciało emituje świecąc. Stąd światło białe, po przejściu przez pary jakiegoś pierwiastka nie daje już widma ciągłego; w miejscach, w których występują linie emisyjne pierwiastka tworzącego parę, w widmie ciągłym istnieją przerwy. Widmo takie nazywamy widmem absorpcyjnym. Widmo absorpcyjne może również posłużyć do identyfikacji pierwiastków..

4. Przyrządy do badania widm

Spektrometry służą do pomiaru długości fal świetlnych oraz do pomiaru współczynnika załamania ciał stałych i ciekłych. Spektrometr służący do obserwacji widm nosi nazwę spektroskopu.

Schemat budowy typowego spektroskopu przedstawiono na rysunku 4.1. Poza kolimatorem K i lunetką L, działającymi tak samo jak w spektrometrze, spektroskop ma dodatkowy kolimator, w którym w miejscu szczeliny znajduje się podziałka. Działki i cyfry tej podziałki są przezroczyste, a tło nieprzezroczyste. Dodatkowy kolimator ustawiony jest w ten sposób, że jego światło odbija się od ścianki pryzmatu bliższej lunetki i nakłada się na wiązkę przechodzącą przez pryzmat. Dzięki temu w lunetce, na tle widma, widzimy podziałkę, która pozwala określić położenie poszczególnych linii widmowych.

Rys. 4.1 Budowa spektrometru z podziałką i dodatkowym kolimatorem

Spektrograf różni się od spektroskopu tym, że zamiast lunety obserwacyjnej ma kamerę fotograficzną i widmo jest rejestrowane na kliszy. Jego zasadniczym przeznaczeniem jest analiza spektralna.

Spektrografy przeznaczone do badania widm absorpcyjnych noszą nazwę spektrofotometrów.

Jeśli w spektroskopie zamiast lunety obserwacyjnej zastosuje się drugi kolimator z wąską szczeliną wycinającą z widma tylko wąską linię, to uzyska się przyrząd zwany monochromatorem.

Refraktometry służą do pomiaru współczynnika załamania światła, jak również pewnych innych wielkości fizyko-chemicznych z tym współczynnikiem związanych.

5. Istota, zastosowanie, czułość i dokładność analizy spektralnej.

Jeżeli źródłem światła są gazy jednoatomowe, to widmo składa się z pojedynczych prążków barwnych, których ilość, położenie i barwa są inne dla każdego gazu. Barwa nie nadaje się do precyzyjnego określania położenia linii widmowej. Położenie poszczególnych linii można określić bardzo precyzyjnie przez podanie długości fali lub częstości. Ułatwia to tzw. krzywa dyspersji, czyli zależność długości fali od położenia linii, mierzonego na podziałce spektrometru. W celu wyznaczenia krzywej dyspersji określamy położenie linii pierwiastka o znanym widmie. Zatem widmo pozwala zidentyfikować atomy wysyłające światło. Sposób identyfikacji atomów oparty na analizie widma nazywamy analizą widmową lub spektralną.

Z rozkładu linii widmowych wnioskuje się o obecności jakiegoś pierwiastka w źródle światła a ze stopnia zaczernienia linii o ilości tego pierwiastka. Do pomiaru zaczernienia linii służy mikrofotometr.

Analizę widmową stosuje się do badania składu chemicznego substancji, budowy związków i struktury ciał, pomiaru stężenia roztworów i do badania wielu innych własności różnych substancji.

II. Tabele pomiarowe.

1. Sporządzenie krzywej dyspersji (skalowanie spektroskopu).

Nazwa gazu	Barwa linii widma	Położenie linii na skali x [mm]	Natężenie linii (silna, słabo wid)	Długość fali [nm] odczytana z tablic
Hel	Czerwona Żółta Ciemno - zielona Zielona Zielono - niebieska Niebieska Fioletowa	0,9 4,7 11,5 11,8 12,9 15,7 19,8	Silna Silna Słaba Silna Słaba Silna Silna	667,8 587,6 504,8 501,6 492,2 471,3 439

2. Widma emisyjne.

Nr rurki z gazem	Barwa linii widmowej	Położenie linii na skali x	Natężenie linii	Długość fali odczytana z wykresu [nm]	Nazwa gazu wypełniającego rurkę
2	Ciemno - czerwona Czerwona Czerwona Pomarańczowa Pomarańczowa Żółta Zielona Zielona	0,6 - 1,4 1,5 - 1,9 2,2 - 2,7 3,1 - 3,5 3,7 - 4,2 4,7 8 8,5	Słaba Silna Słaba Silna Słaba Silna Słaba Silna	674 - 654 652 - 641 634 - 624 614 - 606 604 - 594 587 538 532	Neon

3. Widma absorpcyjne.

Nazwa substancji absorbującej	Barwa linii widmowej	Granice pasma								Barwa pasma pochłoniętego		Stopień osłabienia (absorpcji)
				Na skali W długościach fal
				Dolna x1	Górna x2		Dolna x1 [nm]		Górna x2 [nm]
	Czerwona Pomarańczowa Żółta Zielona Niebieska Fioletowa	0,5 4 4,5 5 11 13,5	4 4,5 5 11 13,5 20		677 600 591 581 504 482		600 591 581 504 482 442
CuSO4	Pomarańczowa Żółta Zielona Niebieska Fioletowa	4,5 5 5,3 11,5 13		5 5,3 11,5 13 20		591 581 576 499 486		581 576 499 486 442			Czerwona		Silny
EOZYNA	Czerwona Pomarańczowa Żółta Zielona	0,5 4 4,5 5		4 4,5 5 6,5		677 600 591 581		600 591 581 556			Niebieska Fioletowa		Silny Silny
CHLOROFIL	Czerwona Pomarańczowa Żółta Zielona Niebieska	2 4 4,5 5 7		4 4,5 5 7 10		639 600 591 581 550		600 591 581 550 514			Niebieska Fioletowa		Słaby Silny

III. Wnioski.

Do sporządzenia krzywej dyspersji zastosowane zostało zjawisko wyładowania w rurce Pluckera wypełnionej helem. Na skali spektroskopu, poprzez lunetkę obserwuje się linie widmowe i odczytuje ich położenie. Na podstawie tabeli długości fal linii widmowych i otrzymanych wyników sporządza się krzywą dyspersji.

Następnie włączamy do obwodu rurkę Pluckera z nieznanym gazem. Odczytujemy położenie linii widmowych a następnie z wcześniej sporządzonej krzywej dyspersji odczytujemy długości fal badanego widma. Dzięki temu można dokonać próby identyfikacji zawartości rurki. Na podstawie otrzymanych wyników można przypuszczać, że badanym gazem jest neon. Na niedokładność odczytanych wyników i brak pewności co do rodzaju zidentyfikowanego gazu składają się błędy pomiarowe. Do błędów tych zaliczyć można:

1. Małą dokładność odczytu prążków na skali i ich słabą widoczność.

2. Niezbyt dużą zdolność rozdzielczą pryzmatu R=λ/Δλ.

3. Małą dokładność uzyskanego z pomiarów wykresu krzywej dyspersji.

Następna część ćwiczenia miała na celu obserwację widm absorpcyjnych. Polegało ono na porównaniu widm światła przechodzącego przez puste szklane naczynie z widmami światła przechodzącego przez identyczne naczynie z zawartością: CuSO_4, Eozyny oraz Chlorofilu.

Zaobserwowaliśmy pochłanianie niektórych barw pasma. W przypadku CuSO₄ silnie osłabiona była barwa czerwona, dla eozyny silnie osłabione były barwy: niebieska i fioletowa, natomiast chlorofil silnie pochłonął barwę fioletową a nieznacznemu osłabieniu uległa barwa niebieska.

---