spectroscopul cu prisma. studiul spectrelor de emisie si absorbtie

Spectroscopul cu prismă. Studiul spectrelor de emisie şi absorbţie

1. Scopul lucrãrii

1.1. Punerea în evidenţă a fenomenului de dispersie a luminii prin observarea unor spectre de emisie şi de absorbţie.

1.2. Etalonarea unui spectroscop (trasarea graficului de etalonare) cu ajutorul unui spectru cunoscut.

1.3. Determinarea spectrelor de emisie pentru hidrogen şi heliu.1.4. Determinarea spectrului de absorbţie pentru o soluţie de permanganat de

potasiu.1.5. Determinarea dispersiei liniare a spectroscopului.

2. Teoria lucrãrii

2.1. Dispersia luminiiPrin dispersie se înţeleg fenomenele care apar la trecerea luminii printr-un

mediu al cărui indice de refracţie n depinde de lungimea de undă λ. In afara domeniilor de absorbţie, în mediile dispersive, indicele de refracţie creşte cu scăderea lungimii de undă (dispersie normală). Dependenţa n = f (λ) se numeşte lege de dispersie a mediului. Datorită dispersiei undele luminoase care alcătuiesc o radiaţie complexă sunt deviate cu unghiuri diferite la pătrunderea într-un mediu dispersiv şi astfel pot fi observate separat. Un dispozitiv simplu prin care se obţine separarea luminii prin dispersie este prisma optică (Fig. 1).

Fig. 1

Unghiul de deviaţie (între raza incidentă şi raza emergentă) la trecerea luminii prin prismă este

δ =i1−r1+i2−r2=i1+i2−A (1)

δmin

R

V

i i r r

A


Acest unghi este minim pentru i1 = i2 = i şi r1 = r2 = r = A/2 (raza este, în prismă, paralelă cu baza). Ca urmare

δ min = 2i−A (2)

Deoarece

sini=nsin r (3)

şi ţinând cont de r = A/2, relaţia (2) devine

δ min = 2arcsin (n·sin A/2)–A (4)

care arată că deviaţia minimă depinde de indicele de refracţie. Se poate arăta că şi deviaţia δ este funcţie de λ..

Dependenţa indicelui de refracţie de lungimea de undă implică dependenţa unghiurilor δ şi δmin de aceeaşi mărime.

2.2. Spectre de emisie şi spectre de absorbţieUn sistem microscopic (atom, moleculă, nucleu etc.) se caracterizează prin

faptul că poate exista numai în anumite stări, numite stări staţionare, corespunzătoare unei mulţimi discrete de valori ale energiei (nivele de enegie).

Orice variaţie a energiei sistemului microscopic se face printr-o tranziţie dintr-o stare staţionară în alta. Ne interesează tranziţiile radiative când sistemul emite sau absoarbe un foton. Astfel la trecerea sistemului din starea cu energia Εn în starea cu energia Εm ( Εn > Εm) se emite un foton cu energia

hν =En−Em (5)

La absorbţia unui foton, cu energia hν egală cu membrul drept din (5), sistemul trece din starea cu energie mai mică Εm în starea cu energie mai mare Εn.

Totalitatea radiaţiilor emise de un sistem microscopic constituie spectrul deemisie al sistemului.

Pentru atomi sunt caracteristice spectrele discrete care sunt formate din linii (radiaţii monocromatice) izolate. Denumirea de linie spectrală vine de la faptul că metodele experimentale duc la observarea radiaţiilor monocromatice ca imagini ale unei fante înguste. O linie spectrală corespunde teoretic unei radiaţii monocromatice cu frecvenţa ν (lungimea de undă λ). In realitate liniile spectrale nu sunt riguros monocromatice ci prezintă o anumită lărgime Δλ. Există o lărgime naturală a liniei spectrale care este un efect cuantic. Lărgimea liniei se datoreşte şi altor fenomene (efect Doppler, interacţia dintre particule etc.). Intensităţile liniilor spectrale depind de probabilităţile cu care au loc tranziţiile corespunzătoare şi de numărul sistemelor microscopice din diferite stări. Pentru molecule sunt caracteristice spectrele formate din benzi deoarece tranziţiile au loc între grupuri de nivele de energie alcătuite din nivele foarte apropiate.


Dacă o radiaţie care are un spectru continuu trece printr-o substanţă absorbantă, spectrul continuu va apare brăzdat de linii sau benzi întunecate. Acesta constituie un spectru de absorbţie.

Specificitatea spectrelor optice permite identificarea atomilor şi moleculelor (analiza calitativă). Dacă se măsoară intensităţiile liniilor sau benzilor spectrale se poate determina concentraţia atomilor şi moleculelor (analiză cantitativă).

3. Descrierea instalatiei experimentale

Instalaţia experimentală este formată din surse spectrale (cu alimentatoare adecvate), două becuri cu incandescenţă şi un spectroscop.

Sursele spectrale conţin elementele, în stare atomică, ale căror spectre de emisie se vor studia (Hg în becul cu vapori de mercur; He şi Ne în cele două tuburi de descărcare). Excitarea atomilor pe nivele superioare de energie se face prin ciocniri cu electroni acceleraţi în câmp electric. Dezexcitarea atomilor duce la emisia unor spectre de radiaţii caracteristice.

Pentru observarea spectrului de absorbţie al moleculei de permanganat de potasiu se foloseşte o soluţie de permanganat de potasiu (aflată într-o sticluţă) şi un bec cu incandescenţă.

Spectroscopul este format din următoarele elemente (Fig. 2):- colimatorul C1 care constă într-o lentilă convergentă L1 în focarul căreia se

găseşte o fantă reglabilă F;- prisma P aşezată cu muchia corespunzătoare unghiului A paralelă cu fanta

F;- luneta L (formată din lentilele L2 şi L3) care se poate roti cu ajutorul unui

şurub permiţând observarea în întregime a spectrelor;- colimatorul C2 care constă dintr-o lentilă convergentă L4 şi o scală

micrometrică M.

Fig. 2

F

C1

C2

L4

M

S

L

L3

L2

P

L1


4. Modul de lucru

4.1. Se alimentează circuitul becului cu vapori de mercur. Se aşează spectroscopul cu colimatorul C1 în dreptul becului cu mercur. Se reglează deschiderea fantei F la o valoare mică (sub 1 mm).

4.2. Privind prin luneta L se deplasează tubul ocularului L3 şi se îngustează deschiderea fantei F până când liniile spectrale devin subţiri şi nete. Se roteşte luneta L pentru observarea întregului spectru.

4.3. Se iluminează scala micrometrică M cu un bec cu incandescenţă şi se reglează poziţia colimatorului C2 astfel încât diviziunile scalei să se vadă clar şi să acopere întregul spectru.

4.4. Deplasând luneta L se observă şi se notează în diviziuni poziţia x a fiecărei linii din spectrul Hg. Rezultatele sunt trecute la punctul 5 într-un tabel de forma:

Culoarea Intensitatea λ (nm) x (div)

4.5. Se deconectează circuitul becului cu vapori de mercur. Se conectează şi apoi se alimentează tubul de descărcare cu He (heliu). Se aşează spectroscopul cu colimatorul C1 spre tubul cu He astfel încât fanta F să fie la 1-2 cm de tub. Se repetă operaţiunile de la punctul 4.4. Rezultatele se trec într-un tabel care să cuprindă: culoarea, intensitatea, poziţia şi lungimea de undă (care se obţine din prelucrarea datelor experimentale) ale liniilor spectrale.

4.6. Se întrerupe alimentarea tubului cu He. Se fac conexiunile la tubul de descărcare cu Ne (neon), apoi se închide circuitul de alimentare. Se repetă operaţiunile făcute pentru He.

4.7. Pentru observarea spectrului de absorbţie se aşează sticluţa cu soluţie de permanganat de potasiu pe un stativ şi se iluminează cu un bec cu incandescenţă. Se aşează spectroscopul cu colimatorul C1 în dreptul sticluţei. Prin luneta L se vor observa, în regiunea verde a spectrului, benzile de absorbţie sub forma unor dungi întunecoase. Se citesc diviziunile x' şi x" care mărginesc benzile, iar rezultatele se trec la punctul 5 într-un tabel de forma:

Banda x’ ÷ x” (div) λ’ ÷ λ” (nm)

Ultima coloană se completează după prelucrarea datelor experimentale.


5. Rezultatele determinãrilor experimentale

La observarea spectrului mercurului am obţinut datele experimentale prezentate în tabelul următor:

SPECTRUL MERCURULUICuloarea Intensitatea λ (nm) x (div)

galben intens 579,0 61,7galben intens 577,0 62,0verde intens 546,1 64,5

albastru-verde foarte slab 491,6 70,7albastru-verde slab 490,0 71,0

albastru intens 435,8 81,0violet slab 407,7 89,0violet intens 404,9 90,0

Am observat la acest experiment încă 3 linii spectrale, altele decât cele aparţinând mercurului şi anume 2 linii spectrale de culoare roşie şi una de culoare portocalie, cu intensităţile şi poziţiile prezentate în tabelul următor:

Culoarea Intensitatea λ (nm) x (div)roşu intens 58,5roşu intens 59,0

portocaliu slab 60,0

Aceste 3 linii spectrale sunt datorate particulelor de crom, a căror prezenţă se poate observa la alimentarea becului cu vapori de mercur, când acesta capătă mai întâi o culoare roz.

La observarea spectrului heliului, am obţinut datele experimentale prezentate în tabelul următor:

SPECTRUL HELIULUICuloarea Intensitatea x (div) λ (nm)

roşu foarte slab 57,0 640 ± 1galben intens 62,0 577 ± 1

albastru-verde slab 70,0 496 ± 1 albastru-verde foarte slab 71,0 490 ± 1

albastru foarte slab 75,0 465 ± 1violet slab 79,0 445 ± 1


La observarea spectrului neonului, am obţinut datele experimentale prezentate în tabelul următor:

SPECTRUL NEONULUICuloarea Intensitatea x (div) λ (nm)

roşu slab 57,0 640 ± 1roşu foarte slab 57,5 633 ± 1roşu slab 58,0 625 ± 2roşu intens 58,5 619 ± 1roşu slab 59,0 613 ± 1roşu slab 59,5 607 ± 1

portocaliu foarte slab 59,7 605 ± 1portocaliu intens 60,0 601 ± 1portocaliu intens 60,5 595 ± 1

galben foarte slab 61,0 588 ± 2galben foarte slab 61,4 583 ± 2galben slab 61,6 582 ± 2galben foarte slab 62,0 577 ± 1galben intens 62,2 576 ± 1

galben-verde foarte slab 63,0 570 ± 1 verde foarte slab 66,5 525 ±1verde foarte slab 67,0 520 ± 1

La observarea spectrului de absorbţie al soluţiei de permanganat de potasiu, am obţinut datele experimentale prezentate în tabelul următor:

SPECTRULPERMANGANATULUI DE POTASIU

Banda x’ ÷ x” (div) λ’ ÷ λ” (nm)1. 64 – 65 554 ± 1 – 540 ± 12. 67 – 68 520 ± 1 – 510 ± 13. 69 – 70 503 ± 1 – 495 ± 1


6. Prelucrarea datelor experimentale

Cu datele obţinute pentru mercur se desenează graficul anterior. Din curba de etalonare obţinută se vor calcula lungimile de undă ce trebuiesc completate în tabelele de mai sus.

7. Comparatii si verificãri

Pentru a fi sigur de calitatea rezultatelor experimentului, am căutat rapoarte ale altor persoane care au efectuat acelaşi experiment înaintea mea. Pentru a verifica corectitudinea graficului curbei de etalonare am luat ca referinţă raportul Cristinei Rusu-Marian, ce conţine un grafic asemănător şi este publicat pe http://referat.clopotel.ro/Etalonarea_scalei_unui_spectroscop-10824.html.

Din păcate, unităţile de măsură pentru x nu sunt aceleaşi, deci nu pot ştii cu exactitate că şi graficul meu este corect. Totuşi, acest grafic m-a ajutat să prelungesc curba de etalonare dincolo de valorile extreme ale spectrului mercurului.

După cum spuneam la punctul 6, din curba de etalonare reprezentată în grafic am determinat valorile lui λ pentru neon, heliu şi permanganat de potasiu. Singurul dintre cele 3 pentru care am găsit referinţe şi pe care l-am putut compara a fost neonul. În raportul domnului profesor Marius Bârlea, raport publicat pe http://bavaria.utcluj.ro/~mbirlea/x/08x.htm, am gasit un tabel asemănător pentru spectrul mercurului. Din nefericire, liniile spectrale erau doar 11, în timp ce eu am observat nu mai puţin de 17 astfel de linii. Intensităţile erau măsurate într-un mod diferit şi aveau valori numerice cuprinse între 4 şi 20. Totuşi am putut asocia prima linie spectrală observată de mine (roşu slab) cu λ = 640 ± 1 nm cu prima linie spectrală observată în raport (roşu cu strălucirea 10), cu λ = 640,2 nm.

8. Erori

Orice măsurare experimentală este afectată de erori. După cauza care le produce, acestea se pot împărţi în trei categorii: erori sistematice, erori întâmplătoare şi erori grosolane.

Posibile erori sistematice în realizarea acestui raport ar fi erorile de instrument, dar care după părerea mea sunt neglijabile, întrucât spectroscopul cu care am măsurat este destul de precis. Eventualele erori sistematice, apărute la măsurare, se transformă în erori întâmplătoare la realizarea graficului, de aceea valorile λ nu sunt exacte, ele având o eroare de ±1 sau ±2. Erori grosolane nu s-au putut observa, întrucât acestea sunt cauzate de neatenţii sau de defecţiuni accidentale, iar valorile obţinute diferă masiv de celelalte.

http://bavaria.utcluj.ro/~mbirlea/x/08x.htm

http://referat.clopotel.ro/Etalonarea_scalei_unui_spectroscop-10824.html


9. Concluzie si propuneri de îmbunãtãtire

În urma experimentului am realizat că mercurul are un spectru de emisie destul de restrâns. Pentru heliu şi neon, am găsit şi valori ale lui x mai mici decât valoarea minimă a lui x pentru mercur. A trebuit deci să aproximez graficul pentru a determina λ al celorlalte elemente. După părerea mea, s-ar obţine o exactitate mai mare în determinarea lui λ dacă am lua ca etalon alt element, cu un spectru mai larg. În acest sens, propun neonul, întrucât pentru acesta am observat nu mai puţin de 17 linii spectrale, lucru care ar uşura trasarea unei curbe de etalonare.

Alt mod de a îmbunătăţii exactitatea rezultatelor ar fi utilizarea unui software special de trasare a graficului sau de determinare a ecuaţiei curbei de etalonare. Din păcate nu am descoperit încă un astfel de program.

spectroscopul cu prisma. studiul spectrelor de emisie si absorbtie

Documents