Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI
I. Zagadnienia do opracowania. 1. Stany energetyczne atomów. 2. Liczby kwantowe stanów stacjonarnych elektronów w atomach. 3. Sprzężenie L S. 4. Struktura elektronowa pierwiastków I i II grupy układu okresowego. 5. Absorpcja i emisja promieniowania. 6. Prawdopodobieństwo przejść elektronowych. 7. Reguły wyboru przejść elektronowych. 8. Struktura dubletowa i trypletowa poziomów energetycznych. 9. Względne natężenia linii widmowych. 10. Linie widmowe: a) kształt i szerokość linii widmowych; b) jakościowa i ilościowa analiza spektrum. 11. Budowa i zasada działania przyrządów spektralnych: a) układ optyczny spektrografu; b) siatka jako element dyspersyjny; c) różnica pomiędzy spektrografem a monochromatorem. 12. Parametry spektrografu: a) obszar widmowy; b) dyspersja liniowa; c) świetlność spektrografu; d) aparaturowa szerokość linii widmowej. 13. Kryteria rozróżnialności linii spektralnych. II. Zadania doświadczalne. 1. Zapoznać się z układem pomiarowym przedstawionym na Zdjęciu 1. 2. Włączyć kolejno zasilanie poszczególnych elementów układu. W pierwszej kolejności włączyć listwę zasilającą, do której są podłączona kamera CCD oraz spektrograf. W trakcie włączania zasilania kamery zwrócić szczególną uwagę na przełącznik umieszczony na obudowie zasilacza kamery ma być ustawiony w pozycji II. W dalszej kolejności włączyć komputer (włącznik na przedniej płycie obudowy), zasilanie spektrografu (włącznik po prawej stronie obudowy) oraz zasilacz lampy rtęciowej (włącznik na tylnej płycie zasilacza). Przed włączeniem listwy zasilającej zamknąć szczelinę spektrografu (2 na Zdjęciu 1). W trakcie pracy lampa spektralna nagrzewa się do wysokiej temperatury. Dotykanie włączonej lampy grozi poparzeniem! Instytut Fizyki Doświadczalnej 1.
Lampa rtęciowa powinna być włączona przynajmniej pół godziny przed rozpoczęciem pomiarów. Zdjęcie 1. Stanowisko pomiarowe do pomiaru natężeń linii widmowych: 1 kamera CCD; 2 szczelina spektrografu; 3 spektrograf; 4 zasilacz lampy spektralnej; 5 lampa spektralna; 6 uchylne lusterko. 3. Uruchomić program pod nazwą Andor Solis for Spectroscopy umożliwiający sterowanie spektrografem oraz kamerą poprzez wybór ikony 1 na Zdjęciu 2. Zdjęcie 2. Widok ekranu po uruchomieniu systemu: 1 ikona programu Andor Solis for Spectroscopy sterującego spektrografem i kamerą CCD. Instytut Fizyki Doświadczalnej 2.
4. Przed rozpoczęciem pomiarów sprawdzić czy temperatura kamery CCD widoczna na wskaźniku 1, Zdjęcie 3 ustaliła się na -60 o C. Zdjęcie 2. Widok ekranu programu sterującego spektrografem i kamerą CCD: 1 wskaźnik temperatury pracy kamery CCD (kolor czerwony brak zadanej temperatury, kolor niebieski osiągnięcie zadanej temperatury); 2 suwak prezentujący czas ekspozycji kamery CCD; 3 suwak prezentujący wybrany zakres spektralny, obserwowany na kamerze CCD; 4 wybór modu pracy kamery CCD i wyświetlania wyników; 5 zakładka Grating dla karuzeli z siatkami dyfrakcyjnymi (100 linii/mm i 1200 linii/mm); 6 zakładka Offset umożliwia wpisanie względnego przesunięcia dla detektora (Detector) i siatki dyfrakcyjnej (Grating); 7 menu przycisków; 8 okno dialogowe Data Type z menu Acqusition pozwalające na wybór trybu zbierania i wyświetlania danych. 5. Wybrać tryb pracy kamery FVB wybierając kolejno w menu: Acquisition, Setup Acquisition, Setup CCD, Readout Mode oraz szybkość przesuwu 16,25 µs, odczytu Readout Pixel Shift na 100 khz AT 16 bit. 6. Wybrać metodę zbierania danych pomiarowych z korekcją tła z ang. Counts (Background corrected) poprzez wykonanie kolejnych kroków w menu: Acquisition, Setup Data Type 8 (Zdjęcie 3) lub naciskając kombinację klawiszy Ctrl+D. 7. Używając suwaka 2, Zdjęcie 3 ustawić najkrótszy czas ekspozycji równy 16 ms lub nieco dłuższy. 8. Używając ikony rotora siatek dyfrakcyjnych 5, Zdjęcie 3 wybrać jedną z siatek dyfrakcyjnych, a następnie przy pomocy suwaka 3, Zdjęcie 3 określić obserwowany zakres spektralny. 9. Dobrać szerokość szczeliny 2, Zdjęcie 1 tak, aby intensywność sygnału nie przekraczała wartości 6 10 5. 10. Zasłonić wejście do spektrografu, zarejestrować tło naciskając Ctrl+B lub w menu wybrać kolejno Acquisition, Take Background. 11. Odsłonić wejście i zarejestrować widmo lampy naciskając F5. Instytut Fizyki Doświadczalnej 3.
Wraz ze wzrostem czasu ekspozycji i szerokości szczeliny wzrasta tło, a w związku z tym widmo tła. Należy zawsze rejestrować widmo tła po zmianie jednego z wyżej wymienionych parametrów przysłaniając źródło światła. 12. Zarejestrowane widma należy zapisać w postaci kodu ASCII wybierając kolejno opcje w menu File, Export as ASCII, Signal lub Background, Reference, Lamp Calibration. 13. Wyłączyć zasilacz lampy 4, Zdjęcie 1, poczekać aż lampa ostygnie, odłączyć ją od zasilacza, po czym wymienić lampę spektralną na inną i podłączyć ją do zasilacza. Włączyć zasilacz lamp spektralnych i powtórzyć czynności od punktu II.4. kolejno dla trzech następnych lamp spektralnych wybranych przez prowadzącego zajęcia. 14. Zidentyfikować przejścia elektronowe, określić reguły wyboru pozwalające na ich zajście, zaznaczyć je na diagramie poziomów energetycznych danych pierwiastków ( korzystając z wykresów w Dodatku). 15. Przedyskutować stosunki natężeń linii o strukturze multipletowej korzystając z reguły Dorgelo - Bürgera. Przy ustalaniu stosunków natężeń obserwowanych linii widmowych należy uwzględnić krzywą aparaturową spektrografu przedstawioną na Rysunku 4. 12 Sensitivity curve of the system: SR-500i spectrograph, CCD camera idus 420A, grating 100 grooves/mm 10 Intensity (arb. units) 8 6 4 2 0 500 600 700 800 900 1000 Wavelength (nm) Rysunek 4. Krzywa aparaturowa dla spektrografu SR-500i, kamery CCD idus 420A i siatki dyfrakcyjnej 100 rys/mm. 16. Przedyskutować wielkość rozszczepienia trypletowego w badanych pierwiastkach. Instytut Fizyki Doświadczalnej 4.
III. Zestaw przyrządów. 1. Spektrograf firmy Andor Shamrock, model SR-500i. 2. Kamera CCD firmy Andor, model idus 420A. 3. Lampy spektralne: helowa (He), kadmowa (Cd), rtęciowa (Hg), talowa (Tl). 4. Zasilacz lamp spektralnych. 5. Lusterko uchylne. 6. Zestaw komputerowy. IV. Literatura. 1. W. Demtröder Spektroskopia laserowa, PWN, Warszawa 1993. 2. R.I. Sołouchin Optyka i fizyka atomowa, PWN, Warszawa 1982. 3. G.K. Woodgate Struktura atomu, PWN, Warszawa 1974. 4. Z. Leś Wstęp do spektroskopii atomowej, PWN, Łódź 1970. 5. D. Kunisz Fizyczne podstawy emisyjnej analizy widmowej, PWN, Warszawa 1973. 6. H.A. Enge, M.R. Wehr, J.A. Richards Wstęp do fizyki atomowej, PWN, Warszawa 1983. 7. A. Kopystyńska Wykłady z fizyki atomu, PWN, Warszawa 1989. 8. J.H. Moore, C. Davies, M.A. Coplan Building Scientific Apparatus, Westview Press, 2002. 9. B. Weltz Atomic Absorption Spectroscopy, Verlag Chemie, New York, 1976. 10. W. Demtröder Laser Spectroscopy. Basic Concepts and Instrumentation, Springer, 1988. 11. A.P. Arya Fundamentals of Atomic Physics, Allyn & Bacon, Inc., Boston 1971. 12. H.A. Enge, M.R. Wehr, J.A. Richards Introduction to Atomic Physics, Wesley, 1981. 13. A.A. Radzig, B.M. Smirnov Reference Data on Atoms, Molecules, and Ions. Springer, 1985. 14. F. Mayinger, O. Feldmann Optical Measurements, Springer, 2001. Instytut Fizyki Doświadczalnej 5.
Dodatek Schematy poziomów energetycznych wybranych lamp spektralnych ( na podstawie [13]) Rysunek 3. Schemat poziomów energetycznych helu (He). Instytut Fizyki Doświadczalnej 6.
Rysunek 6. Schemat poziomów energetycznych rtęci (Hg). Instytut Fizyki Doświadczalnej 7.
Rysunek 4. Schemat poziomów energetycznych kadmu (Cd). Instytut Fizyki Doświadczalnej 8.
Rysunek 8. Schemat poziomów energetycznych talu (Tl). Instytut Fizyki Doświadczalnej 9.