Šviesos bangos ilgio matavimas spektroskopu

Šviesos bangos ilgio matavimas spektroskopu Darbo tikslas: sugraduoti spektroskopą ir išmatuoti nežinomų spektro linijų bangų ilgius. Teorinė dalis: Visų ilgių elektromagnetinės bangos, jų tarpe ir šviesos bangos, vakuume sklinda vienodu greičiu c (c=3- 108 m/s). Vadinasi, elektromagnetinių virpesių dažnumui v atitinka vakuume tam tikras bangos ilgis Elektromagnetinę banga, kurioje elektrinio ir magnetinio laukų virpesiai vyksta tuo pačiu pastoviu dažnumu v, vadiname monochromatine (vienos spalvos). Šviesos sklidimo medžiagoje greitis u priklauso nuo elektromagnetinių virpesių dažnumo: mažesnio dažnumo bangos sklinda didesniu greičiu. Dėl šios priežasties medžiagos absoliutinis lūžio rodiklis (/i=c/u) taip pat priklauso nuo sklindančios Šviesos dažnumo (bangos ilgio). Skirtingo dažnumo monochromatinių bangų visuma vakuume sklinda drauge, t. y. tuo pačiu greičiu c. Patekusios į kuria nors medžiagą, jos `pradeda sklisti skirtingais greičiais, skirtingai lūžta ir todėl sklinda skirtingomis kryptimis. Toks reiškinys, kai lūžio rodiklis priklauso nuo krintančio dviejų aplinkų riba šviesos dažnumo (bangos ilgio), vadinamas šviesos dispersija. Šviesos dispersija pirmasis atrado Niutonas. Praleidęs „baltos“ šviesos pluošteli pro stiklo prizmę (1 pav.), gavo spektrą, t. y. plačia juosta skirtingų spalvų. Daugiau lūžta violetiniai spinduliai, nes stikle jų sklidimo greitis mažesnis, už mažiau lūžusiu raudonu spindulių. 1 pav. Sugretinus spektrus, gautus skirtingų medžiagų prizmėmis, buvo nustatyta, kad šių spektrų kurios nors dalies plotis, atitinkantis tam pačiam dažnumų intervalui yra skirtingas. Tai rodo, kad medžiagos skiriasi ne tik lūžia rodikliu, bet ir dispersinėmis savybėmis, apie kurias paprastai sprendžiama iš grafikų, vaizduojančių lūžio rodiklio n priklausomybę nuo šviesos bangos ilgio vakuume. 2 paveikslas vaizduoja paprasto stiklo dispersinę kreivę regimoje spektro dalyje. Dispersijos matu yra rodiklio pakitimas apibrėžtame bangų ilgių intervale . Bendrai santykis įvairiose spektro dalyse yra skirtingas. Iš dispersijos kreivės matyti, kad stiklo violetinėje spektro dalyje yra didesnis, kaip raudonojoje, todėl toks pat bangų ilgių intervalas prizminio spektro violetinėje ir mėlynojoje srityse užima žymiai didesnį plotį, kaip raudonojoje. Taigi prizminiame spektre spalvos pasiskirsčiusios netolygiai ir tai priklauso nuo prizmės stiklo rūšies. Čia nagrinėta dispersija vadinama normaliąja — bangos ilgiui didėjant, lūžio rodiklis mažėja. Tačiau tai galioja tik toms bangoms, kurių medžiaga nesugeria. Absorbuojamu bangų ilgių srityje dispersijos kreivės eiga yra kitokia, negu srityse tolimose nuo sugėrimo ruožo. Todėl tokia dispersija vadinama anomalia: absorbuojamų bangų srityje bangos ilgiui didėjant, lūžio rodiklis taip pat didėja. Taigi šviesos dispersijos reiškiniai glaudžiai siejasi su šviesos absorbcijos reiškiniais. Norint juos geriau suprasti, reikia paaiškinti šviesos bangų spinduliavimą, taip pat spektrų rūšis. 2 pav. Visos medžiagos (dujos, skysčiai ar kieti kūnai) susideda iš atomų, kurie normaliame būvyje energijos neišspinduliuoja. Siame būvyje atomo energija yra mažiausia (), o elektronai jame skrieja orbitomis, kurios yra arčiausiai branduolio. Suteikus atomui tam tikrą energijos kiekį, elektronai perkeliami į aukštesnės energijos būvį (). Siame būvyje atomas yra nestabilus ir vadinamas sužadintu. Sužadinti atomus galima kaitinant arba leidžiant pro dujas elektros srovę ir kt. Savaime pereidamas iš sužadinto būvio į stabilesnį, atomas emituoja (išspinduliuoja) šviesos kvantą (fotoną) elektromagnetinių bangų pavidale, kurių dažnumas v pagal Boro teoriją išreiškiamas: čia h — Planko konstanta. Emisijos metu elektronai atome pereina iš tolimesnės nuo branduolio orbitos į artimesnę. Išspinduliuojamų šviesos bangų dažnumai (arba bangų ilgiai) priklauso nuo energijų skirtumo (). Visą išspinduliuojamos šviesos spektrą paprastai sudaro infraraudonieji, regimos šviesos ir ultravioletiniai spinduliai. Matomos šviesos bangų ilgiai — nuo 0,4 iki 0,8 ; šviesa, kurios bangų ilgiai mažesni už violetinių spindulių (0,8 ), vadinama infraraudonaisiais spinduliais. Ultravioletiniai ir infraraudonieji spinduliai žmogaus akiai nematomi. Emisiniai spektrai, kuriuos išspinduliuoja sužadinti pavieniai atomai bei jų jonai, vadinami linijiniais. Visi įkaitinti cheminių elementų garai ir žemo slėgio vienatomės dujos sužadintos spinduliuoja linijinius spektrus. Atskirų cheminių elementų linijiniai spektrai susideda iš daugelio skirtingų monochromatinės šviesos linijų. Pvz., natrio garai matomoje spektro dalyje spinduliuoja dvi geltonas linijas, tuo tarpu geležis artimoje ultravioletinėje ir matomoje spektro dalyse turi apie 5000 linijų. Todėl linijiniai spektrai naudojami nustatant kokybinę ir kiekybinę medžiagų sudėtį spektriniu būdu. Be linijinių yra juostiniai ir ištisiniai emisiniai spektrai. Juostinius spektrus spinduliuoja cheminių elementų bei jų junginių molekulės (t. y. tarpusavyje surišti atomai). Jie susideda iš atskirų siauresnių bei platesniu juostų. Kiekviena juosta sudaryta iš linijų, kurios išsidėsčiusios labai arti viena kitos. Spektras, kurį sudaro visi šviesos bangų ilgiai vadinamas ištisiniu spektru. Matomoje spektro dalyje jį sudaro eilė spalvotų juostų, kurios palaipsniui pereina iš vienos_spalvos į kitą. Ištisinį spektrą skleidžia vis kaitinti kieti, skysti kūnai (išlydyti metalai) ir dujos, esant aukštam slėgiui. Be emisinių yra absorbciniai spektrai, kurie taip pat gali būti linijiniai ir juostiniai. Absorbcinis spektras stebimas praeinant šviesai pro kurio nors cheminio elemento garus. Kirchhofo dėsnis rodo, kad kiekvienas kūnas absorbuoja tuos spindulius, kuriuospats spinduliuoja. Dėl šios priežasties dujų absorbciniai spektrai turi tamsias linijas tose spektro vietose, kuriose būtų šviesios linijos, jei dujos pačios spinduliuotų. Pvz., praleidus baltos šviesos srautą pro natrio garus, spektroskope matome dvi tamsias natrio garų linijas. Arba stebint pro spektroskopą Saulės fotosferos spinduliuojamą baltą šviesą, matome tamsias absorbcines Fraunhoferio linijas, kurios atitinka įvairių cheminių elementų atomų išspinduliuojamos šviesos bangų linijoms. Tamsios linijos matomos todėl, kad įvairių cheminių elementų atomai, įeinantieji į Saulės fotosferos ir ją gaubiančiųjų sluoksnių sudėtį absorbuoja tam tikrus, atskiriems atomams charakteringus šviesos bangos ilgius, pereidami į aukštesnį energetinį būvį. Tačiau grįždami atgal į normalų būvį, išspinduliuoja to paties bangos ilgio šviesa, kaip ir absorbavo. Kadangi jų išspinduliuojama šviesa sklinda visomis kryptimis, stebima kryptimi išspinduliuojamų šviesos bangų intensyvumas yra mažas, palyginti su ištisinio Saulės spektro intensyvumu. Todėl ištisinio spektro fone matomos tamsios linijos. Darbo priemonės: 1. Geislerio vamzdelis. 2. Spektroskopas. Spektroskopo sandara. Pagrindinės spektroskopo dalys (3 pav.) yra kolimatorius K, stiklo prizmė P, žiūronas Ž ir mikrometrinis. 3 pav. Sraigtas D. Kolimatorių sudaro lęšis (L1), kurio židinyje yra siauras (~0,07 mm pločio) plyšelis. išbrėžtas pasidabruotoje stiklo plokštelėje. Išėję iš plyšio ir praėję pro lęšį, spinduliai į prizmę eina lygiagrečiai. Balta šviesa, praėjusį pro ją, išskaidoma į sudedamąsias spalvas. Visi vienodos spalvos spinduliai iš prizmės išeina lygiagrečiai, kadangi prizmė juos laužia vienodu kampu. Spektroskopo žiūronas Ž (3 pav.) skiriamas gauti spektro vaizdui ir išmatuoti kampinius nuotolius tarp atskirų spektro linijų. Jį sudaro objektyvas L2 ir okuliaras L3. Iš prizmės į objektyvą atėję lygiagretus vienodos spalvos spinduliai surenkami židinio plokštumoje FF, kur gaunamas tikras spektro vaizdas; jį stebime pro okuliarą L3. Geislerio vamzdelis yra stiklinis vamzdelis, pripildytas bet kurio elemento garų arba dujų, kurių slėgis vamzdelyje sudaro kelis mm gyvsidabrio stulpelio. Vamzdelio galuose įlydyti 2 metaliniai elektrodai. Sujungę juos su transformatoriaus antrinės apvijos gnybtais (apie 6000 V), gauname pro vamzdelį tekančią elektros srovę, kuria lydi vamzdelio dujų švytėjimas. Vamzdelį pastatome prieš kolimatoriaus K plyšį ir, žiūrėdami pro spektroskopą, matome linijinį spektrą to elemento, kurio dujomis pripildytas vamzdelis. Darbo eiga: 1. Žiūroną galima sukinėti apie vertikalia ašį mikrometriniu sraigtu D, kurio vienas apsisukimas atitinka žiūrono pasukimui vienu laipsniu. Ant dispersijos prizmės užmaunamas kartoninis gaubtas, kad nepatektų pašalinė šviesa į prizmę. 2. Įvertinti spektroskopo mikrometrinio sraigto vieno padalinimo vertę ir išmokti atskaityti žiūrono pasukimą sveikais kampų laipsniais ir jų dalimis. Mikrometrinio sraigto būgnelis turi 50 padalų. 3. Įjungus Geislerio vamzdelį, spektroskopo kolimatoriaus plyšį pastatyti prieš švytintį vamzdelį ir stebėti pro žiūroną. Stumdant žiūrono okuliarą, gauti ryškias spektro linijas. Sukant mikrometrinį sraigtą, matoma žiūrone rodyklėlės viršūnę sutapdinti su pirmąja raudona spektro linija ir atskaityti mikrometrinio sraigto parodymus. Tokiu pat būdu išmatuoti visų ryškesnių spektro linijų kampinius nuotolius, nurodant linijos spalva. 4. Iš duotų atitinkamų spektro linijų bangų ilgių (šiuos bangų ilgius duoda darbų vadovas) ir atskaitytų -mikrometrinio sraigto parodymų, išbrėžti spektroskopo gradavimo .kreivę. Stačiakampės koordinačių sistemos abscisių ašyje atidėti bangų ilgius, ordinačių ašyje - mikrometrinio sraigto parodymus. Koordinačių pradžią imti 4° ir 400 nm. Taškus atidėti masteliu 0,2° - 1 cm ir 20 nm - 1 cm. 5. Iš gautos spektroskopo gradavimo kreivės surasti vadovo nurodytų dviejų nežinomų spektro linijų bangų ilgius. 6. Spektroskopo kolimatoriaus plyšį pastatyti prieš įjungtą elektros lemputę. Palyginti matomą lemputės spektrą su Geislerio vamzdelio spektru. Darbo rezultatai: Eil. Nr. Spalvos pavadinimas Linijos padėtis ir ryškumas Mikrometrinio sraigto parodymai Bangų ilgiai (nm) 1. Raudona Ryški 7,04 623 2. Raudonai oranžinė Neryški, vidurinė tarp raudonos ir oranžinės ryškios 6,70 603 3. Oranžinė Ryški, pirma linija į dešinę nuo neryškios geltonos 6,38 583 4. Geltona Neryški, tarp geltonos ir oranžinės ryškios 6,26 574 5. Geltona Ryški 6,12 569 6. Žalia Neryški, vidurinė tarp geltonos ir žalios ryškios 5,90 551 7. Žalia Ryški 5,76 546 8. Žalia Neryški, pirma linija į kairę nuo žalios ryškios 5,38 519 9. Žalia Neryški, antra linija į kairę nuo ryškios žalios 4,96 490 10. Mėlynai violetinė Neryški, pirma linija į dešinę nuo ryškios violetinės 4,18 441 11. Violetinė Ryški 3,74 405 Išvada: sugradavome spektroskopa ir ismatavome nežinomų bangų ilgius Kontroliniai klausimai: 1. Paaiškinkite šviesos dispersija. 2. Apibūdinkite spektrų rūšis ir kas juos spinduliuoja. 3. Paaiškinkite spektroskopo įrengimą ir spektro susidarymą. 4. Paaiškinkite spektrinę analizę ir kurie spektrai šiam tikslui naudojami. 5. Paaiškinkite darbo tikslą ir kaip jį atlikote.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!