Sprawozdanie z ćwiczenia C-6.

Temat: Badanie widma absorbcji i fluorescencji.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskami absorbcji i fluorescencji, zbadanie optycznych widm barwników organicznych i na tej podstawie określenie granic pasm emisyjnych i absorbcyjnych. Należy także wykreślić krzywą dyspersji i sprawdzić zgodność otrzymanych wyników z regułą Stokesa.

Podstawy fizyczne:

Wszystkie ciała pobudzane do świecenia emitują kwanty promieniowania elektromagnetycznego zwane widmem emisyjnym. W zależności od rodzaju promieniującego ciała widma dzielimy na:

1. ciągłe - reprezentowane przez fale elektromagnetyczne obejmujące zakres od nadfioletu poprzez widmo widzialne do podczerwieni.

2. liniowe - złożone ze ściśle określonych dobrze wyodrębnionych długości fal.

Każdemu pierwiastkowi odpowiada specyficzne i niepowtarzalne widmo.

Absorbcja jest to pochłanianie energii promieniowania przez ośrodek przez który energia ta przechodzi. Zjawisko to polega na zamianie całej lub części energii na inną (np.: wzbudzenie atomów). Widma absorbcyjne są to widma powstała w wyniku pochłonięcia przez dane ciało dokładnie określonych długości fal.

Schemat powstawania widma absorbcji i fluorescencji:

W wyniku absorbcji kwantu promieniowania przez elektron uwięziony w atomie następuje przejście tego elektronu na wyższy poziom energetyczny. Stan taki (wzbudzony) nie jest stanem równowagi w wyniku czego następuje powrót elektronu do stanu podstawowego. Przejście elektronu z wyższego na niższy poziom energetyczny związane jest z emisją energii. Może ona być przekazywana do otoczenia lub wypromieniowywana w postaci fotonu. Fluorescencja jest to samorzutne świecenie ciał na skutek pochłonięcia promieniowania. Długość fali wypromieniowanej jest większa od długości fali promieniowania pochłoniętego, zgodnie z regułą Stokesa mówiącą, że pasmo fluorescencji jest przesunięte w kierunku fal dłuższych w porównaniu z pasmem absorbcji.

Opis ćwiczenia:

Do analizy widm wykorzystaliśmy spektrometr pryzmatyczny. Badaliśmy widma emisyjne: neonu, lampy sodowej i światła białego. W wyniku przeprowadzonych pomiarów długości fali i kąta odchylenia od poziomu lini kolimator - lunetka otrzymaliśmy krzywą dyspersji:
Dyspersja jest to zróżnicowanie prędkości fali elektromagnetycznej od jej częstotliwości i gęstości ośrodka.

Opracowanie wyników:

Zależność kąta odchylenia
od długości fali
:

W drugiej części ćwiczenia badaliśmy widma absorbcyjne roztworów: błękitu patentowego i fluoresceiny. Odczytane na spektrometrze zakresy kątowe pasm absorbcji wynoszą:

Widmo fluorescencji wynosi:

530 - 640 nm odpowiada to wartością kątowym: 55
50' - 54
12'.

W ćwiczeniu obliczyliśmy także stratę energii dla jednego fotonu pomiędzy procesem absorbcji i emisji. Wiedząc, że energia fotonu wyraża się wzorem:

obliczyliśmy stosunek energii fotonu pochłoniętego (odpowiadającego długości fali 490nm) do wyemitowanego (530nm).

czyli

Wynika z tego, że strata energii wynosi 7%.

Dyskusji błędów:

W ćwiczeniu uwzględniliśmy błędy pomiarowe wynikające z następujących czynników:

- niedokładność podziałki spektrometru
2'

- niedokładność określenia granic pasm spowodowana ich nieostrością

- błąd wynikający z szerokości szczeliny spektrometru

Ponieważ kąt był odczytywany dwa razy (raz kąt odchylenia lini kalimator-luneta, raz kąt ustawienia początkowego) całkowity błąd odczytu kąta wynosi:
4'.

Na dokładność pomiarów wpływ miało także ustawienie ostrości spektroskopu.

Powyższe błędy przyczyniły się do poprawności wykreślenia krzywej dyspersji.

Wnioski:

W ćwiczeniu badaliśmy zjawisko absorbcji i fluorescencji. Na podstawie sporządzonego wykresu dyspersji mogliśmy stwierdzić jakie zakresy długości fal są pochłaniane w procesie absorbcji, a jakie emitowane w procesie fluorescencji. Zauważyliśmy, że błękit patentowy absorbuje fale w zakresach: 425-440 nm i 506-644 nm, natomiast fluoresceina w zakresie od 424-480 nm. Substancja ta w procesie fluorescencji emituje fale o długościach: 530-640 nm. Na podstawie tych danych stwierdzamy, że długości fal emitowanych są większe od pochłanianych, czyli promieniowanie emitowane ma mniejszą energię niż pochłaniane. Widmo wypromieniowane jest więc przesunięte w kierunku fal dłuższych, co jest zgodne z regułą Stokesa i potwierdza poprawność dokonanych pomiarów. Za słusznością otrzymanych wyników przemawia także wyliczona przez nas różnica między energiami fotonów: absorbowanego i emitowanego. Różnica ta wynosi 7% i jest to energia przekazana jądru.

Sprawozdanie z ćwiczenia C-6 strona 5