Imię i Nazwisko Widma świecenia pierwiastków opracowanie: Zofia Piłat Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest zaobserwowanie widm świecących gazów atomowych i zidentyfikowanie do jakich pierwiastków należą. W analogiczny sposób bada się skład nawet bardzo oddalonych gwiazd, analizując światło jakie wysyłają do Ziemi. Wstęp teoretyczny Światło jest to fala elektromagnetyczna, którą możemy scharakteryzować trzema wielkościami: energią (E) mierzoną w J, długością fali (λ) mierzoną w częściach metra lub częstotliwością (ν) mierzoną w Hz. Wszystkie te wielkości łączą się ze sobą następującymi związkami: EE = hυυ ; λλ = cc νν Światło jest jedynie niewielką częścią znanych fal elektromagnetycznych co zobrazowane jest na rysunku 1. Podpisz na nim obszary widma odpowiednią nazwą: Rysunek 1. Widmo fal elektromagnetycznych (źródło: www.wikipedia.org) 1
Na rysunku 1 umieszczone zostało widmo fal elektromagnetycznych. Widmo jest to zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego poszczególne częstotliwości, długości fali lub energie. Wiemy że każde ciało o temperaturze T > 0 K emituje promieniowanie elektromagnetyczne (nazywane promieniowaniem termicznym). Obiekty o temperaturze pokojowej emitują światło podczerwone. Ciała rozgrzane do temperatury kilkuset stopni Celsjusza też emitują podczerwień, ale ponadto zaczynają świecić na czerwono. Powyżej 1000 o C emitowane światło ma barwę żółtą, ale oczywiście składa się zarówno z fali podczerwonej jak i fali o barwie czerwonej, żółtej oraz zielonej. Białe światło słoneczne odpowiada temperaturze 5500 o C, i jak wiemy, zawiera wszystkie barwy światła widzialnego, jak również podczerwień i ultrafiolet. Emitowane jest światło o wszystkich długościach fal, mówimy że promieniowanie termiczne charakteryzuje się widmem ciągłym. Emisja fal elektromagnetycznych może odbywać się też poprzez tzw. luminescencje. Z mechaniki kwantowej wiemy, że elektrony w pierwiastkach mogą przebywać jedynie na powłokach elektronowych (numerowanych pierwszą liczbą kwantową n). Wzbudzone elektrony z powłoki podstawowej przeskakują na powłoki wzbudzone a następnie wracają do powłoki o najniższej możliwej energii. Pozbywają się wtedy nadwyżki energetycznej, którą zyskały przez wzbudzenie, emitując fale elektromagnetyczną o energii wynoszącej dokładnie tyle co różnica energetyczna między poziomami (patrz rysunek 2). Rysunek 2. Widmo liniowe atomu wodoru w obszarze widzialnym (seria Balmera) WIDMO WODORU W wyniku luminescencji pierwiastków dostajemy więc widmo liniowe. Trzecim rodzajem widma jest widmo pasmowe, z którym mamy do czynienia przy luminescencji bardziej skomplikowanych układów jak cząsteczki chemiczne lub przy elektroluminescencji diod świecących. 2
Układ pomiarowy 1. Spektrometr z podziałką kątową o dokładności 1. lunetka stolik kolimator góra- dół pochylenie obrót szczelina kolimatora Rysunek 3. Spektrometr prosty (źródło: materiały dydaktyczne I Pracowni Fizycznej) Do czego służy kolimator? 2. Pryzmat- czyli element spektrometru, który odpowiedzialny jest za rozszczepienie światła Jak działa pryzmat? 3. Źródła światła- świecące gazy atomowe w rurkach Geisslera i żarówka. 4. Tablice fizyczne- z umieszczonymi długościami fal linii widmowych różnych pierwiastków. 3
Instrukcja wykonania ćwiczenia 1. Ustawiamy rurkę Geisslera o numerze I przy szczelinie kolimatora tak żeby uzyskać jak najjaśniejszy obraz (trzeba trochę poruszać rurką obserwując jednocześnie obraz w lunetce). 2. Ustawiamy pryzmat na stoliku (możliwa regulacja wysokości stolika) w taki sposób by rozczepiał on wiązkę wychodzącą w kolimatora (patrz rysunek poniżej): Rysunek 4. Sposób ustawienia pryzmatu względem kolimatora 3. Po zaobserwowaniu rozszczepionego obrazu ustawiamy pryzmat w położeniu kąta najmniejszego odchylenia za pomocą ruchomego stoliczka pod pryzmatem. Jest to takie położenie pryzmatu, gdy mimo obracania stolika cały czas w tę samą stronę obserwowany obraz zatrzymuje się (należy precyzyjnie uchwycić moment zanim obraz zacznie wracać, wtedy kiedy prążki są najbardziej skupione ). W takim położeniu pryzmatu kąt pod jakim wiązka wpada do pryzmatu jest równy kątowi pod jakim wiązka wychodzi z pryzmatu. OD TEJ PORY DO KOŃCA DOŚWIADCZENIA NIE WOLNO RUSZAĆ PRYZMATU!!! 4. Obserwujemy i rysujemy widma pochodzące od wszystkich trzech rurek Geisslera. Odczytujemy za pomocą spektrometru kąty odpowiadające kolejnym prążkom i uzupełniamy w ramkach. Zanotuj także niepewności odczytanych kątów (1 dla wyraźnych prążków, 2-3 minuty dla niewyraźnych lub bladych prążków. 4
RURKA I kąt φ: RURKA II kąt φ: RURKA III kąt φ: 5. Zaobserwowaliśmy położenia kątowe φ kolejnych linii widmowych, ale w tablicach fizycznych mamy umieszczone długości fali λ tab odpowiadające kolejnym liniom. CO ROBIĆ?? Musimy w jakiś sposób zamienić położenie kątowe φ na długość fali λ, którą będzie można zestawić z wartościami tablicowymi. Ponieważ nie ma żadnej analitycznej zależności między φ i λ, musimy wykreślić dla spektrometru krzywą kalibracyjną (skalowania) i z niej odczytywać jaka długość fali odpowiada zmierzonej wartości kąta. By wykreślić krzywą kalibracyjną skorzystamy z faktu, że pierwiastek ukryty w rurce I to: HEL. Uzupełniamy poniższą tabele swoimi wynikami oraz wartościami z tablic fizycznych: 5
WIDMO HELU l.p. kolor prążka φ Δφ λ tab [nm] 1 2 3 4 5 6 7 Δφ jeśli prążek jest wyraźny niepewność wynika z dokładności podziałki kątomierza, jeśli prążek jest rozmyty lub blady szacujemy niepewność pomiarową na większą (np. 2, 3 ) λ tab odczytujemy z tablic fizycznych. 6. Konstruujemy krzywą kalibracyjną dla swojego spektrometru. 7. Obserwujemy i szkicujemy rozszczepione widmo żarówki (przykład widma ciągłego, zbliżonego do tego jakie daje Słońce). Zapisujemy kąty odpowiadające zakresowi światła widzialnego (miejsce w którym zaczynamy i kończymy widzieć widmo) oraz zakresowi wybranego koloru: ŻARÓWKA kąt φ: 6
Analiza wyników Odczytujemy długości fali λ odczyt odpowiadające zmierzonym położeniom kątowym φ z krzywej kalibracyjnej i uzupełniamy tabelki. Na podstawie tablic próbujemy dopasować λ tab i zidentyfikować pierwiastek z jakim mieliśmy do czynienia. RURKA II l.p. kolor prążka φ Δφ λ odczyt [nm] Δλ odczyt [nm] λ tab [nm] 1 2 3 Δφ jeśli prążek jest wyraźny niepewność wynika z dokładności podziałki kątomierza, jeśli prążek jest rozmyty lub blady szacujemy niepewność pomiarową na większą (np. 2, 3 ) λ tab odczytujemy z tablic fizycznych. RURKA III l.p. kolor prążka φ Δφ λ odczyt [nm] Δλ odczyt [nm] λ tab [nm] 1 2 3 4 5 Δφ jeśli prążek jest wyraźny niepewność wynika z dokładności podziałki kątomierza, jeśli prążek jest rozmyty lub blady szacujemy niepewność pomiarową na większą (np. 2, 3 ) λ tab odczytujemy z tablic fizycznych. Niepewności Δλ odczyt odczytujemy ze sporządzonej krzywej kalibracyjnej ja pokazano poniżej: 7
Pierwiastek w RURCE II to: Pierwiastek w RURCE III to: Jeśli starczy czasu odczytujemy z krzywej kalibracyjnej długości fali odpowiadające zakresowi światła widzialnego i zakresowi wybranego koloru i porównujemy z wartościami tablicowymi. Zakres światła widzialnego: nm Zakres koloru...: nm Czy wartości długości fali odczytanych z krzywej kalibracyjnej zgadzają się (tam gdzie była wyliczona niepewność z dokładnością do trzech przedziałów niepewności pomiarowej) z wartościami tablicowymi? Błędy pomiarowe Wypisz czynniki, które Twoim zdaniem mogły spowodować błędy w pomiarach. Podkreśl czynnik, który wydaje Ci się najistotniejszy? 8