1. Wstęp do ćwiczenia:
Spektroskop - jest to przyrząd służący do otrzymywania i badania widm. Składa się z
pryzmatu (P), kolimatora (K), lunety (L) i rurki ze skalą (S’).
Analizą widmową nazywamy jedną z metod fizykochemicznych, polegającą na
wyznaczaniu składu substancji drogą badania jej widma emisyjnego lub absorpcyjnego.
Widmem optycznym natomiast nazywamy obraz powstały wskutek rozszczepienia światła
pochodzącego od źródła rzeczywistego ma składowe o różnych długościach fali.
Ze względu na pochodzenie widma dzielimy na:
•
emisyjne,
•
absorpcyjne,
•
luminescencyjne.
Ze względu na powstały obraz widma dzielimy na:
•
Widmo ciągłe – widmo mające postać zespołu barw przechodzących płynnie
jedna w drugą (np.: tęcza), dawana między innymi przez rozżarzone ciała stałe, ciekłe
i gazy pod dużym ciśnieniem.
•
Widmo liniowe – widmo mające postać jasnych barwnych prążków (linii
widmowych) na ciemnym tle lub ciemnych prążków na tle widma ciągłego. Widmo
charakterystyczne dla atomów pierwiastka emitującego (pochłaniającego) dawane
przez pary gazy.
•
Widmo pasmowe – widmo mające postać barwnych pasów (złożonych z
bardzo gęsto rozmieszczonych linii widmowych) na ciemnym tle charakteryzujących
cząsteczki chemiczne. Występuje wtedy, gdy molekuły gazu są pobudzone do
świecenia.
Wydział:
WIEIK
Nazwisko i imię:
Stelmach Adrian
Zespół:
VIII
Ocena ostateczna:
Grupa:
12E
Temat ćwiczenia:
Analiza spektralna gazów
Nr Ćw.
24
Data wykonania Ćw.
23.03.2012
λ
hc
Emisyjne widmo liniowe dają pobudzone do świecenia gazy oraz pary metali. Powstanie
linii widmowych związane jest ze wzbudzaniem elektronów pojedynczych atomów. Jeśli
atom zostanie wzbudzony(termicznie, elektrycznie), to elektron przechodzi ze stanu
stacjonarnego do stanu wyższego i wracając wypromieniowuje energię w postaci kwantu
(fotonu):
=ΔW
gdzie:
h
– stała Plancka
c
– prędkość światła
λ
– długość falii
Długością poszczególnych linii widmowych charakterystyczne są dla rodzaju
substancji. Obecność określonej linii świadczy o obecności odpowiedniej substancji w
źródle światła. Czułość takiej analizy jakościowej jest wysoka, bowiem śladowe domieszki
mogą być już zauważone. Z natężenia linii można wnioskować o ilości danego pierwiastka
np. w stopie lub związku chemicznym.
Do analizy widmowej stosuje się spektografy pryzmatyczne, siatkowe i
interferencyjne. Działanie spektrografu oparte jest na zjawisku dyspersji, polegającym na
zależności prędkości od długości fali. Rozróżniamy dwa rodzaje dyspersji: kątową oraz
liniową. Dyspersja kątowa określa rozbieżność dwóch wiązek różniących się długością fal
∆λ
o jednostkę ,np. 1 nm. Dyspersją liniową spektrografu jest natomiast przedział długości
fal przypadający na jednostkę długości ekranu(klisza matówka), np.1 mm. W celu
określenia długości fali nieznanego gazu za pomocą widma porównuje się je z wzorcowymi
długościami światła sporządzając tzw. krzywą dyspersji.
ZASADA DZIAŁANIA PRYZMATU
Prawo załamania:
2
1
21
sin
sin
v
v
n
=
=
β
α
gdzie: α - kąt pomiędzy wiązką padającą, a pow. prostopadłą do pow. granicznej
β- kąt pomiędzy wiązką załamaną, a pow. prostopadłą do pow. granicznej
n
21
- względny wsp. załamania pomiędzy ośrodkami 1 i 2
v
1
, v
2
– prędkości rozchodzenia się fali w ośrodkach 1 i 2
1
2
α
β
Zasadniczym elementem spektroskopu jest pryzmat z substancji przezroczystej,
wykazującej zjawisko dyspersji, czyli rozszczepienia barwnego . Rozszczepienie to polega na
zachowaniu różnej wartości współczynnika załamania światła w zależności od jego różnej
częstości drgań. Do analizy obszaru widzialnego promieniowania stosuje się pryzmaty ze
szkła o szczególnie silnej dyspersji. Dyspersję pojedynczego promienia światła białego
przedstawia poniższy rys.
Przy przejściu przez powierzchnię I promień rozszczepia się na składowe promienie barwne
dzięki temu, że współczynniki załamania dla różnych barw są różne. Jak wiemy, z barwą
światła wiąże się odpowiednia częstość drgań. Najsilniej załamuje się promień fioletowy, o
dużej częstości, najsłabiej - promień czerwony o małej częstości drgań.
Ścianka II pryzmatu rozszczepiającego światło nie wpływa na sam proces rozszczepienia, jaki
dokonał się na ściance I. Załamuje ona tylko jeszcze bardziej promienie składowe powstałe
w wynika rozszczepienia. Wstęga barwna ab, jaka powstaje na ekranie w wyniku działania
rozszczepiającego pryzmatu, nosi nazwę widma promieniowania wiązki padającej A.
2. Wykonanie pomiarów:
Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów należy wyregulować spektroskop. Do tego
celu używa się lampy rtęciowej. Następnie rysujemy krzywą dyspersji. Krzywą tą
przedstawiamy na wykresie i załączamy do sprawozdania.
Przechodzimy teraz do obserwacji gazu zawartego w rurce Geislera, odczytując
położenie linii widmowych. Zapisujemy dane w tabelce. Długość fal linii odczytujemy z
wykresu charakteryzującego spektroskop.
Lp.
Barwa linii
Intensywność Położenie linii
na skali x
Długość fali
λ
[nm]
1
czerwona
słaba
8,1
680,71
2
czerwona
słaba
8,4
664,45
3
czerwona
słaba
9,6
609,57
4
czerwona
słaba
9,7
605,61
5
żółta
b. silna
10,4
580,02
6
Żółta
b. silna
10,5
576,64
7
Zielona
Silna
11,7
540,61
8
Zielono-niebieska
Słaba
13,75
493,62
9
Zielono-niebieska
Średnia
13,9
490,72
10
Niebieska
Średnia
17,3
438,58
11
Fioletowa
Słaba
20
409,80
12
fioletowa
b. słaba
20,3
407,07
Lp.
Barwa linii
Intensywność Położenie linii
na skali x
Długość fali
λ
[nm]
1
czerwona
b. słaba
8,5
659,28
2
czerwona
silna
8,7
649,31
3
czerwona
słaba
8,8
644,49
4
czerwona
Silna
9
635,18
5
czerwona
Słaba
9,1
630,67
6
czerwona
Słaba
9,15
628,46
7
czerwona
Słaba
9,3
621,96
8
pomarańczowa
silna
9,5
613,61
9
pomarańczowa
słaba
9,7
605,61
10
pomarańczowa
słaba
9,75
603,66
11
pomarańczowa
słaba
9,8
601,73
12
pomarańczowa
słaba
10
594,20
13
zielona
Silna
10,3
583,46
14
niebieska
średnia
14
488,83
Lp.
Barwa linii
Intensywność Położenie linii
na skali x
Długość fali
λ
[nm]
1
czerwona
słaba
7,8
698,22
2
czerwona
średnia
8,4
664,45
3
czerwona
średnia
8,6
654,24
4
pomarańczowa
silna
10,2
586,97
5
turkusowa
średnia
13,3
502,69
6
niebieska
b. słaba
13,7
494,60
7
niebieska
słaba
14
488,83
8
niebieska
słaba
14,9
472,92
9
niebieska
silna
16,4
450,28
Porównując otrzymane wartości długości fal z danymi z tablic długości fal różnych
pierwiastków dochodzimy do wniosku, że po kolei badany gaz (od góry) – RTĘĆ, NEON, HEL.
Z tabeli przedstawionej powyżej łatwo możemy zauważyć, ze nasze pomiary i dane z
tablic długości fal są do siebie zbliżone. Niektóre wartości różnią się nieznacznie, ale jest to
związane z błędami dokonanymi przez nas. Przede wszystkich możemy do nich zaliczyć źle
odczytane dane ze spektroskopu oraz niedokładność naszego wykresu.