Spectroscopul cu prismă. studiul spectrelor de emisie și absorbție

1. Scopul lucrãrii

1.1. Punerea în evidenta a fenomenului de dispersie a luminii prin observarea unor spectre de emisie si de absorbtie.

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

1.3. Determinarea spectrelor de emisie pentru hidrogen si heliu.

1.4. Determinarea spectrului de absorbtie pentru o solutie de permanganat de potasiu.

1.5. Determinarea dispersiei liniare a spectroscopului.

2. Teoria lucrãrii

2.1. Dispersia luminii

Prin dispersie se înteleg fenomenele care apar la trecerea luminii printr-un mediu al carui indice de refractie n depinde de lungimea de unda ». In afara domeniilor de absorbtie, în mediile dispersive, indicele de refractie creste cu scaderea lungimii de unda (dispersie normala). Dependenta n = f (») se numeste lege de dispersie a mediului. Datorita dispersiei undele luminoase care alcatuiesc o radiatie complexa sunt deviate cu unghiuri diferite la patrunderea într-un mediu dispersiv si astfel pot fi observate separat. Un dispozitiv simplu prin care se obtine separarea luminii prin dispersie este prisma optica (Fig. 1).

Fig. 1

Unghiul de deviatie (între raza incidenta si raza emergenta) la trecerea luminii prin prisma este

´ =i1r1+i2r2=i1+i2A (1)

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

´ min = 2iA (2)

Deoarece

sini=nsin r (3)

si tinând cont de r = A/2, relatia (2) devine

´ min = 2arcsin (n•sin A/2)–A (4)

care arata ca deviatia minima depinde de indicele de refractie. Se poate arata ca si deviatia ´ este functie de »..

Dependenta indicelui de refractie de lungimea de unda implica dependenta unghiurilor ´ si ´min de aceeasi marime.

2.2. Spectre de emisie si spectre de absorbtie

Un sistem microscopic (atom, molecula, nucleu etc.) se caracterizeaza prin faptul ca poate exista numai în anumite stari, numite stari stationare, corespunzatoare unei multimi discrete de valori ale energiei (nivele de enegie).

Orice variatie a energiei sistemului microscopic se face printr-o tranzitie dintr-o stare stationara în alta. Ne intereseaza tranzitiile radiative când sistemul emite sau absoarbe un foton. Astfel la trecerea sistemului din starea cu energia •n în starea cu energia •m ( •n > •m) se emite un foton cu energia

h½ =EnEm (5)

La absorbtia unui foton, cu energia h½ egala cu membrul drept din (5), sistemul trece din starea cu energie mai mica •m în starea cu energie mai mare •n.

Totalitatea radiatiilor emise de un sistem microscopic constituie spectrul de

emisie al sistemului.

Pentru atomi sunt caracteristice spectrele discrete care sunt formate din linii (radiatii monocromatice) izolate. Denumirea de linie spectrala vine de la faptul ca metodele experimentale duc la observarea radiatiilor monocromatice ca imagini ale unei fante înguste. O linie spectrala corespunde teoretic unei radiatii monocromatice cu frecventa ½ (lungimea de unda »). In realitate liniile spectrale nu sunt riguros monocromatice ci prezinta o anumita largime ”». Exista o largime naturala a liniei spectrale care este un efect cuantic. Largimea liniei se datoreste si altor fenomene (efect Doppler, interactia dintre particule etc.). Intensitatile liniilor spectrale depind de probabilitatile cu care au loc tranzitiile corespunzatoare si de numarul sistemelor microscopice din diferite stari. Pentru molecule sunt caracteristice spectrele formate din benzi deoarece tranzitiile au loc între grupuri de nivele de energie alcatuite din nivele foarte apropiate.

Daca o radiatie care are un spectru continuu trece printr-o substanta absorbanta, spectrul continuu va apare brazdat de linii sau benzi întunecate. Acesta constituie un spectru de absorbtie.

Specificitatea spectrelor optice permite identificarea atomilor si moleculelor (analiza calitativa). Daca se masoara intensitatiile liniilor sau benzilor spectrale se poate determina concentratia atomilor si moleculelor (analiza cantitativa).