Laboratorium fizyki CMF PŁ

Dzień poniedziałek godzina 10¹⁵-12⁰⁰ grupa 10

Wydział BAIŚ

semestr I rok akademicki 2011/2012

Kod ćwiczenia	Tytuł ćwiczenia
W4	BADANIE WIDM SPEKTROSKOPOWYCH RÓŻNYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATEŁ

Anna Walczak

imię i nazwisko

nr indeksu 170844

Magdalena Puźmierowska

imię i nazwisko

nr indeksu 170811

Mateusz Urbaniak

imię i nazwisko

nr indeksu 170845

ocena _____

BADANIE WIDM SPEKTROSKOPOWYCH

RÓŻNYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATEŁ

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zbadanie widm widzialnych różnych źródeł światła, a w szczególności rozkładem natężenia promieniowania w zależności od długości fali.

1. Wstęp teoretyczny

Spektroskopia to nauka o powstawaniu i badaniu widm – akustycznych bądź elektromagnetycznych. Każdy pierwiastek ma charakterystyczne dla siebie widmo atomowe powstające w wyniku pobudzenia elektronów. Atom wracając ze stanu wzbudzonego w podstawowy emituje promieniowanie o charakterystycznej długości fali. Powstaje w ten sposób emisyjne widmo liniowe właściwe dla danego pierwiastka. Postulaty Bohra opisują układ linii w widmie liniowym. Bohr uznał, że elektrony poruszają się na orbitach kołowych wokół dodatniego jądra i, że ich energia jest skwantowana- cząstki ujemne mogą poruszać się tylko po orbitach, przy których orbitalny moment pędu L spełnia warunek:

L= n*h/ 2 pi, gdzie h- stała Plancka.

Jeden z postulatów mówi o tym, że atom danego pierwiastka może pochłonąć foton, którego energia E= hγ odpowiada dokładnie różnicy energii określonych poziomów energetycznych. Elektron zmieniając poziomy energetyczne oddaje energie w postaci fotonu o długości fali odpowiadającej różnicy tych poziomów. Kombinacja przejść elektronów miedzy poziomami energetycznymi danego pierwiastka odpowiada za powstawanie linii lub pasm w widmie spektroskopowym danego pierwiastka.

Na rysunku przedstawiono schematycznie rozkład poziomów energetycznych w atomie wodoru:

Warto wspomnieć, iż równie ważny jest zakaz Pauliego, który mówi, że dwa elektrony nie mogą się poruszać po tej samej orbicie.

Do otrzymania i pomiaru widma spektroskopowego służy spektrometr. Jest to najprostsze urządzenie które wykorzystuje widma do identyfikacji substancji. Zasada jego działania jest bardzo prosta. ‘Sercem’ urządzenia jest pryzmat, a więc spektroskop wykorzystuje zjawisko dyspersji. Dyspersja polega na zmianach kąta załamania się światła podczas przejścia z jednej substancji przezroczystej do drugiej w zależności od jego długości. Jeżeli przepuścimy przez pryzmat światło białe uzyskamy ’tęczę’- nazywaną profesjonalnie widmem. Dzieje się tak ponieważ światło białe jest mieszanką wszystkich długości światła.

Poniżej przedstawimy schematyczny rysunek działania spektrometru gdy przepuścimy przez niego światło białe:

Widmo możemy podzielić ze względu na:

1. Wygląd

-widmo ciągłe, czyli tęcza bądź jej fragmenty,

-widmo liniowe- składa się z pojedynczych białych prążków,

-widmo pasowe-ma postać szerszych barwnych pasów lub bardzo gęsto położonych prążków.

2. Sposób powstawania

-widmo emisyjne,

-widmo absorpcyjne.

Przy omawianiu wyników należy wspomnieć o liczbach kwantowych, które opisują stan elektronu w atomie:

- główna liczba kwantowa(n)- odpowiada głównym poziomom energii,

-poboczną liczbę kwantową (l)- odpowiada pod-poziomem energii,

-magnetyczną liczbę kwantową (m)-określa poziom orbitalny, na którym znajduje się elektron,

-magnetyczną spinową liczbę kwantową (ms)- określa spin elektronu, przyjmując wartość

$\frac{1}{2}$ lub - $\frac{1}{2}$.

Przed zrobieniem ćwiczenia warto zapoznać się z definicją emisji widma.

Emisja- to wysyłanie przez wzbudzony układ fizyczny energii w postaci promieniowania zarówno fal jak i korpuskularnego.

Widmo emisyjne powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym ciała będąc wzbudzonymi, przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii.

Widmo absorpcyjne powstaje przy przenikaniu promieniowania ( o widmie ciągłym)przez materię dla niego przezroczystą(absorbującą określone długości fal). W widmie tym powstają na tle widma ciągłego czarne linie. Warto również wspomnieć o widmie światła białego- jest to widzialna przez człowieka część zakresu fal elektromagnetycznych w postaci kolorów (zależnych od długości fali) od fioletu i niebieskiego, przez zielony i żółty aż do czerwonego. Występowanie tych barw razem tworzy pozór światła białego.

1. Przebieg ćwiczenia:

Otrzymane przez nas wyniki przedstawiliśmy w tabeli poniżej:

Źródło światła	Położenie maksimum długości fali [um]	Względne natężenie danego maksimum	Barwa	Szerokość 'piku'
Żarówka 60W	582,1	0,139	żółta	11,7
	611,7	0,157	pomarańczowa	11,8
	698	0,2	czerwona	45,7
Żarówka energooszczędna 20W	433,3	0,047	granatowa	33,8
	489,5	0,059	niebieska	64,5
	547	0,374	zielona	40,9
	588	0,113	żółta	13,6
	611,7	0,536	pomarańczowa	20,7
	710,1	0,059	czerwona	18,6
Żarówka mleczna 40 W	555,8	0,074	zielona	46,7
	579,2	0,9	żółta	5,9
	611,7	0,102	pomarańczowa	11,8
	698	0,138	czerwona	48,7
Żarówka halogenowa	599,8	0,174	żółta	20,8
	611,7	0,174	pomarańczowa	11,8
	698	0,219	czerwona	45,7
Żarówka LED-owa 1.6 W	452	0,142	granatowa	82,5
	555,8	0,126	zielona	8,7
	564,6	0,128	żółta	76,7
	641,3	0,058	czerwona	94,4
Jarzeniówka/ świetlówka	410,8	0,013	fiolotowa	7,5
	437	0,032	granatowa	33,8
	547	0,101	zielona	27,2
	579,2	0,087	żółta	82,5

Dokonaliśmy analizy otrzymanych pomiarów widm:

Żarówka energooszczędna

W obrazie widma można zaobserwować dwa górujące piki o barwie pomarańczowej i czerwonej powyżej 0.6rel. Oprócz tych znaczących pików w obrazie można także zaobserwować serię małych pików (intensywność nie przekracza 0,25 rel). Rodzaj światła jakie wysyła żarówka energooszczędna jest światłem o barwie ciepłej. Ogólnie obraz widma jest dość chaotyczny, intensywności danych szerokości światła raz zbliżają się do zera, raz pikują do prawie 100%.

Jarzeniówka/ Świetlówka

Obraz widma światła ze świetlówki jest już bardziej stonowany. Można tu zaobserwować

trzy intensywniejsze punkty w kolorach granatowym, zielonym i żółtym. Są to barwy zimne. Gdy się dokładniej przyjrzymy można zauważyć, że szczytowania występują w podobnych szerokościach, co przy żarówce energooszczędnej.

Żarówka LED-owa

Obraz widma żarówki LED jest już zupełnie inny. Możemy tutaj zauważyć dwie fałdy o kolorach od granatowego przez zielony i żółty aż do czerwonego przy słabej intensywności.

Żarówka halogenowa

Obraz widma jest stonowany przy niskich szerokościach. Intensywność światła jest prawie

równa zeru po to, by wraz z wzrostem szerokości mogła wzrastać . Następnie intensywność nieznacznie spada, po to by na nowo zacząć rosnąć. Po osiągnięciu wyższych szerokości intensywność światła zaczyna intensywnie spadać. Widać 3 intensywne piki o barwach ciepłych: żółtej, pomarańczowej i czerwonej.

Żarówka mleczna

Obraz widma żarówki mlecznej przypomina obraz żarówki halogenowej, z tym że intensywności

w szczytach są znacznie większe. Tak jak poprzednio intensywność wzrasta wraz z szerokością. Przy wyższych szerokościach intensywność zaczyna szybko spadać .

Żarówka 60W

Podobnie jak w żarówce halogenowej i mlecznej obserwować można 3 wyraźne piki w barwach ciepłych, żółtej, pomarańczowej i czerwonej. Tak jak w dwóch poprzednich intensywność wzrasta wraz z szerokością.

Lp.	Rodzaj żarówki	Obraz widma	Źródło otrzymanych widm
1.	Żarówka 60W	Stonowany, rosnący w miarę równomiernie	Brak
2.	Żarówka energooszczędna	Chaotyczny	Rtęć, neon
3.	Świetlówka	Stonowany	Rtęć, neon
4.	Żarówka LED-owa	Stonowany	Brak
5.	Żarówka halogenowa	Stonowany, rosnący w miarę równomiernie	Brak
6.	Żarówka mleczna	Stonowany, rosnący w miarę równomiernie	Neon

W tabelce powyżej, określiliśmy, jakie są źródła opisanych w naszej pracy widm.

1. Wnioski:

• Światło można podzielić na ciepłe i zimne. Ciepłe to barwy żółta, pomarańczowa i czerwona przyjazna ludzkiemu oku gdyż najbardziej zbliżona jest do światła pochodzącego od słońca, towarzyszącemu człowiekowi przez wieki. Natomiast światło zimne o barwach od fioletowej przez granatową i błękitną do zielonej nie jest korzystne dla człowieka. Przy takim oświetleniu w pomieszczeniu oko ludzkie szybko się męczy, ponieważ jest to światło sztucznie wytworzone przez człowieka.

Stąd można wysnuć wiosek, ze najlepszym oświetleniem dla człowieka jest żarówka zwykła, mleczna energooszczędna lub halogenowa. W mniejszym stopniu LED-owa.

• Z pomocą załączonej tabeli do ćwiczeni mogliśmy określić gazy występujące w danym źródle światła. Żarówki zwykła, mleczna i LED-owa nie posiadają wewnątrz siebie gazu gdyż nie jest on potrzebny do ich działania. Żarówka LED jest wydajną, nowoczesną, energooszczędną i bezpieczną dla środowiska naturalnego żarówką.

• Po przeanalizowaniu ostatniej tabelki doszliśmy do wniosku, że gaz w żarówce może wpływać pozytywnie jak i negatywnie na człowieka, np. w świetlówce rtęć bądź neon wpływa na światło dając mu zimną barwę, a w żarówce mlecznej wręcz przeciwnie. Wszystko zależy od sposobu działania źródła światła.