Rok akademicki 2009/2010

Sprawozdanie

do ćw. nr 47

Temat:

Badanie widma emisyjnego gazów. Wyznaczenie nieznanych długości fal.

Wykonał:

Piotr Maślanka Lp 5

1. Wstęp teoretyczny.

Podstawę matematycznego opisu wszelkich zjawisk promieniowania i propagacji fal elektromagnetycznych w materii stanowią równania sformułowane przez Maxwella w 1864 roku.

Promieniowanie elektromagnetyczne można opisać dwojako: jako falę i jako strumień fotonów. Fale elektromagnetyczne – to rozchodząca się w przestrzeni i w czasie spójna zmiana pola elektrycznego i magnetycznego. Fali takiej, jak każdej fali, można przyporządkować długość  i częstość . Obie te wielkości są ze sobą związane zależnością:

Widmo promieniowania elektromagnetycznego obejmuje fale o długościach od około 10 ^–7 m do około 10 ^–3 m. W tym obszarze mieści się tzw. nadfiolet i promieniowanie widzialne (światło) oraz podczerwień i daleka podczerwień (granicząca z mikrofalami). Zamiast długością fali można się posługiwać jej odwrotnością , nazywaną liczbą falową.

Inny sposób opisu promieniowania elektromagnetycznego polega na traktowaniu go jako strumienia cząstek – fotonów, pozbawionych wprawdzie masy spoczynkowej, ale niosących ze sobą ściśle określoną energię E = h  , gdzie  jest częstością a h stałą Plancka.

Kiedy kwant promieniowania elektromagnetycznego – foton, pada na cząsteczkę, może być przez nią pochłonięty. Warunek, który muszą spełniać cząsteczka i foton (tak zwany warunek Bohra) można zapisać:

E_nm = E_n – E_m

Oznacza to, że energia jaką niesie ze sobą foton musi być równa różnicy E_nm pomiędzy stanami energetycznymi „m” i „n” cząstki. Jeżeli warunek Bohra jest spełniony, to promieniowanie może zostać pochłonięte – mamy doczynienia z procesem absorbcji promieniowania. Cząsteczka przechodzi wówczas do stanu o wyższej energii, zostaje wzbudzona. Możliwy jest również proces odwrotny. Wzbudzona cząsteczka może powrócić do stanu niższego, a nadmiar energii zostanie wysłany przez nią w postaci kwantu promieniowania o częstości (i długości) określonej warunkiem Bohra. Taki proces nazywa się emisją promieniowania. Jeżeli dokonamy badania zmian natężenia absorbcji w funkcji długości fali absorbowanego promieniowania to uzyskamy w ten sposób obszar zwany widmem absorbcyjnym badanych cząsteczek.

Wyróżniamy cztery podstawowe źródła energii cząsteczki:

• ruch translacyjny (postępowy) cząsteczki jako całości;

• rotacje tzn. obroty cząsteczek jako całości wokół określonej w przestrzeni osi;

• oscylacje (drgania) atomów w cząsteczce względem ich położenia równowagi;

• sposób rozkładu elektronów w cząsteczce.

Jeżeli porównamy energię przejść z energią promieniowania elektromagnetycznego, to stwierdzimy, że:

• widmo rotacyjne leży w dalekiej podczerwieni;

• widmo oscylacyjne leży w obszarze podczerwieni;

• widmo elektronowe leży w obszarze widzialnym i nadfiolecie.

Wykonanie ćwiczenia.

Przyrządy: spektrometr, źródło światła białego, źródła światła o widmach liniowych.

W ćwiczeniu bada się najprostsze widmo jakie dają pobudzone do świecenia gazy jednoatomowe – tj. widmo liniowe. Źródłem światła jest gaz zamknięty w tzw. rurce Pluckera pobudzony do świecenia wyładowaniem elektrycznym z induktora Ruhmkorfa. Źródło światła białego (żarówka) służy do oświetlenia skali w spektrometrze.

2. Kolejność czynności.

1. Połączyłem obwód według schematu:

Przed uruchomieniem przyrządów zgłosiłem się do prowadzącego ćwiczenie, w jego obecności włączyłem induktor i ustawiłem układ tak, by na matówce w okularze lunety spektrometru oglądać intensywne widmo liniowe na tle oświetlonej (z zewnętrznego źródła) wskazówki połączonej z bębnem skali spektrometru.

2. Przesuwając bęben skali spektrometru odczytałem położenie L wszystkich linii widmowych.

3. W tablicy znajdującej się przy ćwiczeniu odczytałem długość fali zaobserwowanych linii _L gazu wzorcowego, którym jest hel.

4. Wykreśliłem krzywą dyspersji spektrometru  = f (L).

5. Zmieniłem źródło światła o widmie liniowym. Wziąłem rurkę Pluckera wypełnioną innym gazem, korzystając z wykreślonej przez siebie krzywej dyspersji znalazłem długość fali linii wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia.

3. Obliczenia.

Wykres = f