Etalonarea unui Spectroscop și Analiza Spectrala Calitativa

Consideratii teoretice

Atomul este format dintr-un nucleu central in jurul caruia orbiteaza electronii. Aceştia ocupa nivelele energetice din atom conform principiului lui Pauli. Starea fundamentala a atomului este cea cu energie minima a aranjamentului electronic. Starea excitata se obtine cand furnizam electronilor energie din exterior printr-un proces oarecare (termic, electromagnetic, etc.) şi aceştia trec pe nivele superioare de energie ce corespund orbitelor mai indepartate de nucleu. Starea excitata este instabila, electronul se intoarce pe vechiul nivel de energie emitand un tren de unde electromagnetice, un foton, a carui frecventa este legata de energia W prin relatia lui Planck:

W=h• (1)

Energia fotonului emis este data de diferenta de energie dintre nivelul energetic superior al electronului in atom şi cel inferior:

W=Wn – Wm (2)

Fiecarei frecvente ii corespunde o linie spectrala situata fie in domeniu vizibil (3800 – 7600?), fie in cel invizibil (infrarosu, IR, sau ultraviolet UV). Totalitatea liniilor spectrale emise de o substanta formeaza spectrul de emisie. Fiecare atom are o configuratie electronica specifica (diferentele de enrgie intre nivelele electronice sunt diferite de la un atom la altul) şi va avea un anumit spectru. Liniile spectrului ocupa pozitii stabile, de aceea putem identifica tipul atomilor ce le emit. Substantele aduse in stare atomica (prin incalzire la o temperatura mult mai inalta decat punctul de fierbere) dau spectre de linii. Acestea sunt caracteristice fiecarui element chimic şi stau la baza unei metode de analiza chimica calitativa şi cantitativa numita analiza spectrala.

In aceasta lucrare se va etalona scala unui spectroscop şi se vor determina lungimile de unda ale radiatiilor emise de gazul dintr-un tub de descarcare.

II. Metoda experimentala

Dispozitivul experimental utilizeaza un spectroscop format dintr-un colimator C cu fanta F pe unde intra fascicolul luminos care este dirijat prin obiectivul Ob catre prisma P care descompune lumina dupa lungimea ei de unda. Spectrul rezultat este vizat prin ocularul Oc.

• Colimatorul C este prevazut cu o fanta reglabila F, in fata careia se aşeaza corpul incandescent studiat (aici tubul cu descarcare in gaz) şi obiectivul Ob.

• Prisma P are rolul de a separa radiatiile de diferite lungimi de unda ale luminii incidente prin fenomenul de dispersie.

• Tubul ocular T este prevazut cu o lentila L in al carei plan focal se formeaza imaginea fantei F – adica spectrul radiatiei studiate – ce poate fi observat cu ajutorul ocularului Oc.

• Scala gradata este folosita pentru a determina pozitiile liniilor spectrale.

Modul de lucru

1. Pentru etalonarea spectroscopului se foloseşte un tub cu descarcare ce contine un gaz cunoscut pentru care se cunosc lungimile de unda ale liniilor spectrale (din tabele).

2. Cu ajutorul unei bobine de inductie se amorseaza descarcarea in tub.

3. Se aşeaza partea luminoasa a tubului in dreptul fantei F astfel ca in ocular sa apara imaginea spectrului gazului sub forma de linii clare şi distincte.

4. Se noteaza in tabel diviziunea ce corespunde fiecarei linii spectrale.

5. Se construieşte pe hartie milimetrica graficul lungimii de unda in A (pe axa Oy) in functie de pozitia citita pe scala gradata in diviziuni (pe axa Ox), curba (A) = f(diviziune) numita curba de etalonarea spectroscopului.

6. Repetand operatiile cu un alt tub se determina lungimile de unda ale radiatiilor emise de gazul din tubul de descarcare folosind curba de etalonare.

7. Se calculeaza pentru toate lungimile de unda frecventa radiatiei ştiind ca • = c (3•108 m/s, viteza luminii) sau = /c.

8. Se calculeaza energia fotonului cu lungimea de unda observata in electroni-volti (eV) cu relatia lui Planck W=h• , unde constanta lui Planck este h=6,6•10–34J•s=6,6•10–34J•s/1,6•10–19eV/J=4,1•10–15 eV•s.

9. Folosind o sursa de lumina alba (bec incandescent sau tub fluorescent) se determina lungimile de unda pentru care ochiul vede culorile de baza ale spectrului.

Tabelul 1. Spectrul mercurului (Hg)

Culoare (A=10–10 m)

Roşu 6234

Galben 1 şi 2 5790,7 şi 5769,6

Verde 1 şi 2 5460,7 şi 4958,7

Albastru 4916

Indigo 4358

Violet1 4077

Violet2 4046

Tabelul 2. Spectrul neonului (Ne)

Culoare Stralucire (A=10–10 m)

Roşu aprins 10 6402

Roşu portocaliu satnga 10 6143

Portocaliu stanga 5 5945

Galben 20 5852

Verde (dupa galben) 4 5760

Verde (dublet stanga) 8 5400

Verde (dublet dreapta) 6 5330

Verde (dreapta din 5) 5 5031

Albastru-verde 8 4849

Tabel de date pentru substanta etalon (Spectrul etalon)

Culoarea liniei

Diviziunea

(?=10–10m)

(1015 Hz)

W=h• (eV)

Tabel de date pentru substanta necunoscuta

Culoarea liniei

Diviziunea

(A=10–10 m)

(1015 Hz)

W=h• (eV)

Tabel de date pentru culorile spectrului luminii albe .