Cel Ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zjawiskiem widma absorpcyjnego.

Wstęp Teoretyczny. Widma ze względu na sposób powstawania dzielimy na emisyjne oraz absorpcyjne. Widma emisyjne, czyli widma światła emitowanego przez daną substancję, powstają, gdy pobudzony do świecenia za pomocą np. energii termicznej czy elektrycznej, atom przechodzi ze stanu pobudzonego do stanu stacjonarnego wypromieniowując pobraną wcześniej energię w postaci fali świetlnej. Widmo to może mieć postać jasnych, barwnych, ostrych prążków ( widmo emisyjne liniowe ), kolorowych pasm lub zespołu barw płynnie przechodzących jedna w drugą. Widmo liniowe emitują pobudzone do świecenia pojedyncze atomy gazów. Jest to widmo elektronowe, bo linie widmowe są obrazem zmian energii elektronowej atomu. Bardziej skomplikowane jest widmo emitowane przez cząsteczki, składa się z układu kolorowych pasm, każdy układ z ciągu pasm, a każde pasmo z poszczególnych linii widmowych. Ich budowa uzależniona jest od tego, jaki rodzaj (rodzaje) energii uległy przemianie. I tak, gdy nastąpiła zmiana jedynie energii oscylacji ( drgań cząsteczek ) obserwujemy jedynie linie widma rotacyjnego. Gdy przemianie ulegnie dodatkowo energia rotacji cząsteczki jako całości obserwujemy widmo złożone z poszczególnych pasm. Pełne widmo pasmowe jest związane z jednoczesnymi przemianami energii rotacji, oscylacyjnej i elektronów wiążących.

Widmo emisyjne ciągłe obserwuje się podczas świecenia ciał stałych, ciekłych i gazów pod dużym ciśnieniem.

Widma absorpcyjne na tle widma ciągłego uzyskamy przepuszczając wiązkę promieniowania polichromatycznego przez warstwę ciała stałego, cieczy czy gazu. Będą to pojedyncze, ciemne linie lub pasma powstające wskutek absorpcji fotonów przez pojedyncze atomy.

Do przeprowadzenia doświadczeń służą: spektroskop oraz spektrofotometr.

Spektroskop pryzmatyczny.

Schemat spektroskopu.

Q - źródło światła, K - kolimator,

S - szczelina kolimatora, P - pryzmat,

L - lunetka, Sk - pomocniczy tubus ze skalą

Spektroskop jest najprostszym urządzeniem spektralnym. Badane źródło światła umieszczamy przed regulowaną szczeliną kolimatora. Równoległa po przejściu przez jego obiektyw wiązka światła jest rozszczepiana przez pryzmat. Powstałe widmo trafia do lunety. Tubus jest tak umieszczony, że wiązka światła z niego odbija się od pryzmatu i wchodzi do lunety. Obserwator widzi dzięki temu w lunecie linie widmowe na tle obrazu skali, co umożliwia odczytanie położenia poszczególnych linii widmowych.

Spektrofotometr.

Schemat biegu promieni w Spekolu.

1 - źródło promieniowania, 2 - kondensator, 3 - lustro,

4 - szczelina wejściowa, 5 - obiektyw kolimatora, 6 - siatka obiciowa,

7 - obiektyw kolimatora, 8 - szczelina wyjściowa, 9 - próbka z odnośnikiem,

10 - fotoogniwo, 11 - wzmacniacz, 12 - miernik.

Źródłem światła jest żarówka. Obraz jej włókna jest odwzorowany na szczelinie wejściowej. Promieniowanie wychodzące z niej jest przez kolimator kierowane w postaci równoległej wiązki na obiciową siatkę dyfrakcyjną rozkładającą ją na widmo. Następny kolimator kieruje promienie odbite od siatki na płaszczyznę szczeliny wyjściowej. Poprzez obrót siatki (zmianę kąta padania) możemy wybrać żądaną część widma. Miernik wyskalowany w jednostkach transmisji i ekstynkcji pozwala odczytywać te parametry dla wybranych długości fali.

Transmisja lub przepuszczalność jest to procentowy stosunek natężenia światła IT wychodzącego z próbki do

natężenia światła I0 padającego na próbkę.

Doświadczenie polegało na obserwacjach i pomiarach widma fal w zakresie widzialnym, za pomocą spektroskopu i spektrofotometru Spekol. Doświadczenie składało się z dwóch części. Pierwsza część polegała na wyskalowaniu spektroskopu za pomocą widma emisyjnego helu. Poprzez wynotowanie położenia poszczególnych prążków widma na skali spektrometru następnie odczytanie ich długości z tabeli można było wykreślić krzywą skalowania, która następnie mogła być użyta w dalszych pomiarach.

Druga część doświadczenia polegała na pomiarze transmisji, dla różnych długości fal, dwóch filtrów: czerwonego i zielonego oraz dla dwóch filtrów w formie płynów. Pomiaru tego dokonano spektrofotometru Spekol. Pomiar ten polegał na ustaleniu procentu fali przepuszczonej przez w stosunku do odniesienia, którym była płytka przeźroczysta. Było to dokonywane poprzez subiektywną ocenę wzrokową.

Przebieg Ćwiczenia

Skalowanie spektrometry.

Skalowanie za pomocą widma emisyjnego helu.

Tabelka pomiarów.

Krzywa skalowania dla helu.

Badanie transmisji filtrów.

Tabela wyników odczytanych ze skali .

Wykres transmisji od długości fali dla roztworu pierwszego :

Wykres transmisji od długości fali dla roztworu drugiego :

Dyskusja błędu

Błędy przy wyznaczaniu krzywej skalowania spektroskopu wynikały z subiektywizacji obserwacji oraz z pewnego stopnia rozmycia obserwowanych linii widmowych.

Wnioski.

Przedmiotem badania było badanie absorpcji dokonywanej przez różne substancje, które mogą być traktowane jako filtr. Zestawione na w tabelkach dane pokazują dla jakich długości fali świetlnej ilość energii wchodzącej jest w największym stopniu pochłania. I tak, wypadku roztworu oznaczonego jako pierwszy obszarem największej przenikalności jest długość 490 nm odpowiadająca kolorowi zielono niebieskiemu. W tym punkcie jest zauważalny nagły wzrost (wykres) . Dla drugiego wykresu przenikalność maleje wykazuje tendencje malejącą wraz ze wzrostem długości fali. Odwrotny układ jest zauważalny dla filtru czerwonego. Natomiast filtr zielony wykazuje selektywny charakter z ekstremum w punkcie 520 nm. Taka różnica jest spowodowana różna struktura atomowa substancji.