Основы спектрального анализа. Изучение спектров поглощения - файл n1.doc

Основы спектрального анализа. Изучение спектров поглощения
скачать (107 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc107kb.04.12.2012 01:57скачать

n1.doc

Лабораторная работа №303

ОСНОВЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА.

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ

Цель работы - ознакомление с физическими основами спектрального анализа, приобретение навыков работы с простейшими спектральными приборами: градуировка спектрального прибора, изучение спектров по­глощения, определение собственных частот колебаний атомов, определе­ние красной границы поглощения, вычисление постоянной Планка.
Теоретические сведения

Свечение тел тесно связано с процессами, происходящими в атомах и молекулах. Поэтому исследование свечения является средством для изу­чения строения атомов и молекул. Совокупность физических методов оп­ределения качественного и количественного состава вещества на основе изучения его спектра называется спектральным анализом. Высокая чувст­вительность, универсальность и сравнительная простота методов спек­трального анализа позволяют широко использовать их в современной нау­ке и технике.

Отдельные атомы газа, нагретого до высокой температуры, дают ли­нейчатые спектры. Каждая "линия" спектра представляет по существу уз­кий спектральный интервал, охватывающий некоторый набор длин волн, но интервал этот так узок, что его можно практически считать соответст­вующим одной определенной длине волны. Линейчатый спектр атома представляет собой совокупность большого числа линий. Каждый атом испускает свои определенные линии, составляющие его спектр. Различные атомы имеют иногда случайно совпадающие линии, но спектр атома в це­лом характерен для этого атома.[Когда атомы соединены в молекулы, воз­никают полосатые спектры, в которых каждая полоса образована множе­ством отдельных линий. .Когда атомы тесно упакованы в твердом теле или в жидкости, испускание света происходит практически на всех частотах -возникает непрерывный или сплошной спектр.

Если излучение с непрерывным спектром (например свет от лампы накаливания) пропустить через более холодную газообразную или жидкую прозрачную среду, то на сплошном спектре источника появятся темные линии и полосы, в точности соответствующие тем линиям и полосам, ко­торые испускались бы этим поглощающим веществом в раскаленном со­стоянии. Как и спектры испускания, спектры поглощения являются специ­фическими, характерными для данного вещества и поэтому могут исполь­зоваться в спектральном анализе для отождествления элементов, входящих в состав поглощающей среды.

Некоторые твердые и жидкие вещества поглощают излучение в очень широком диапазоне длин волн, сильно изменяя спектральный состав излучения. Именно таким свойством - поглощать значительную область спектра - обладают широко используемые светофильтры.

Назначение спектральных приборов - исследовать спектральный со­став излучения, то есть определить из каких монохроматических волн оно состоит. Иначе говоря, спектральный прибор производит анализ излуче­ния. Действие спектральных приборов основано на том, что в некоторых средах условия прохождения света разной длины волны оказываются раз­личными. Проявление этих различий называют дисперсией.

Принципиальная схема простейшего спектрального прибора изобра­жена на рис. 1. Щель S1 на которую падает исследуемое излучение, нахо­дится в фокальной плоскости линзы L1. Эта часть прибора называется кол­лиматором. Выходящий из линзы параллельный пучок света падает на призму Р. Вследствие дисперсии света в веществе призмы свет разных длин волн выходит из призмы параллельными пучками под разными угла­ми. В фокальной плоскости линзы L2 помещается экран или фотопластин­ка N, на которой фиксируется приходящее излучение. Линза фокусирует параллельные пучки лучей, и в результате образуются изображения щели S1 в разных местах экрана для разных длин волн.


Рисунок 1. – Принципиальная схема спектрального прибора
В настоящей работе в качестве спектрального прибора используется монохроматор. В фокальной плоскости линзы S2 монохроматора располо­жен экран N с щелью S2. Призму Р можно поворачивать около вертикаль­ной оси с помощью винта, связанного с барабаном, на котором нанесены деления. Положение призмы можно фиксировать отсчетом по барабану. Поворот призмы Р смещает спектр вдоль плоскости экрана N и таким об­разом через выходную щель S2 монохроматора можно выпускать узкую область спектра (рис. 1).

Общая схема установки дана на рис. 2, где И - источник света (лам­па накаливания - источник непрерывного спектра излучения; ртутная лам­па - источник линейчатого спектра), М - монохроматор, Б - барабан мо­нохроматора, по которому с помощью указателя фиксируются отсчеты, соответствующие разным областям спектра. Линзы Л1 и Л2 фокусируют свет от источника на входной щели монохроматора S1, П - исследуемый поглотитель.


Рисунок 2. – Схема установки

Ход работы
Градуировка монохроматора

Проградуировать монохроматор - значит установить соответствие между длинами волн спектральных линий А, и отсчетами N по шкале бара­бана монохроматора Б (рис. 2).

1. Установим источник света - ртутную спектральную лампу, включим ее. Таблица длин волн спектральных линий паров ртути приведена в лаборатории. Для облегчения отождествления линий в таблице указаны их яркости по десятибалльной шкале. Значения длин волн и их яркость занесем в табл. 1.

2. Включим монохроматор.

3. Расположив глаз перед выходной щелью монохроматора S2 (рис. 2), убедимся в том, что при вращении барабана монохроматора по­следовательно проходят все части линейчатого спектра.

4. Медленно вращая барабан, зафиксируем по шкале барабана от­счеты, соответствующие каждой спектральной линии. Полученные данные занесем в табл. 1.

5. По данным табл. 1 построим градуировочный график N(?).
Таблица 1.

№ п/п

Цвет линии

Яркость линии

Длина волны, нм

Отсчет по шкале

1

красная

слабая

708,2

2850

2

красная

слабая

690,8

2790

3

красная

сильная

623,4

2604

4

оранжевая

слабая

623,2

2568

5

оранжевая

слабая

615,2

2548

6

желтая

сильная

579,1

2408

7

желтая

сильная

577

2402

8

зеленая

сильная

545,1

2224

9

зеленая

сильная

546

2160

10

голубая

слабая

491,6

1804

11

синяя

сильная

435.8

1140

12

фиолетовая

слабая

407,8

670

13

фиолетовая

средняя

404,7

620



Рисунок 3. – Градуировочный график
Определение собственных частот колебаний атомов

1. Установим перед щелью источник белого света - лампу нака­ливания с непрерывным спектром излучения.

2. Поместим между источником И и щелью S1 кювету П (рис. 2) с исследуемым раствором. Наблюдаем на сплошном спектре черные полосы поглощения.

3, Вращая барабан монохроматора, сделаем по шкале отсчеты, со­ответствующие максимумам в полосах поглощения, то есть отсчеты поло­жения центральной, наиболее темной, части каждой полосы. Данные за­несем в табл. 2. Повторим то же в обратном направлении.

4. По градуировочному графику N(?) найдем длины волн, соответствующие максимумам поглощения. Максимум поглощения наступает при совпадении частоты падающего света с собственной частотой колебаний атома, так что по найденным значениям ?т можно рассчитать собственные частоты ?0 колебаний атомов поглощающего вещества.



Данные измерений и вычислений занесем в табл. 2.

5. Заменим кювету с раствором на твердый поглотитель (неодимовое стекло). Наблюдаем черные полосы поглощения.

6. Сделаем по шкале отсчет, соответствующий первой самой широ­кой полосе поглощения. Данные измерений занесем в табл. 2.

7. Выполним п. 4. для твердого поглотителя.

Таблица 2

Наименование раствора

Отсчет по шкале

Длина волны, нм

m, нм

Собственная частота,?0

?0,

1011

1

2

среднее

Неодинохлор NaCa2

2454

2386

2420

585

0,1

5,12821E+14

0,87

2076

2050

2063

530

0,1

5,66038E+14

1,06

2000

1980

1990

517

0,1

5,80271E+14

1,12

Двухромнокислый калий K2Cr2O7 (оранжевый)

2292




2292

555

0,1

5,40541E+14

0,97

2276




2276

550

0,1

5,45455E+14

0,99

2330




2330

562

0,1

5,33808E+14

0,94

Неодиновое стекло

2836

2810

2823

700

0,1

4,28571E+14

0,61

2528

2434

2481

590

0,1

5,08475E+14

0,86

2374

2066

2220

546

0,1

5,49451E+14

1,00

2008

1976

1992

519

0,1

5,78035E+14

1,11


Погрешность ??т находится с помощью графика N(?) по абсолют­ной погрешности отсчета по шкале. Относительные погрешности ??m/?m и ??0/?0 можно считать одинаковыми.

Цена деления барабана монохроматора 2˚.
Определение "красной границы" поглощения.

Вычисление по­стоянной Планка

1. Поместим между источником (лампой накаливания) и щелью кювету с водным раствором двухромокислого калия К2Сr2О7.

2. Сделаем по шкале отсчет длинноволновой границы поглощаемой области спектра. Произведем измерения несколько раз и найдем среднее.

3. По графику N(?) найдем длину волны, соответствующую этой границе.

4. Пользуясь формулой , вычислим постоянную Планка h, счи­тая значение ?Е = 2,292 эВ = 2,292 1,60219Ч10-19 Дж = 3,6672·10-19 Дж

8,557·10-34

5. Полученное значение h сравним с табличным h=6,626·10-34 Дж·с
Вывод. В ходе работы был проградуирован монохроматор с помощью ртутной лампы. Это дало возможность получить собственные частоты колебаний атомов данных поглощающих веществ (раствор и твердый поглотитель). Была вычислена постоянная Планка. Сравнение полученного значения с табличным показало их удовлетворительное совпадение.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации