Kiirgus-ja neeldumisspektrid ning nende uurimine (1)

Tartu Ülikooli Türi Kolledž
Kiirgus- ja neeldumisspektrite uurimine spektromeeter-goniomeetri abil
Referaat
2010

Sisukord

Sisukord 2
Sissejuhatus 3
Spekter 4
Spektrite jaotamine: kiirgus-ja neeldumisspekter 4
Spektromeeter – goniomeeter 5
Laboris tehtud katse 7
Neeldumisspektri uurimine 7
Kiirgusspektri uurimine 8
Kokkuvõte 9
Kasutatud kirjandus 10

Sissejuhatus

Antud referaadi teemaks on kiirgus-ja neeldumisspektrite uurimine spektromeeter-goniomeetri abil. Töö põhimõtteks on anda ülevaade kiirgus-ning neeldumissspektritest ning sellest, kuidas neid spektromeeter-goniomeetri abil uuritakse. Valisin antud teema, sest spektri mõiste ja kõik sellega seonduv jäi mulle keskkoolis arusaamatuks ning kuna nüüd oli võimalus sellest referaat kirjutada, siis seda ma ka tegin . Referaadi esimene osa keskenub teooriale ning räägib spektritest, nende jaotamisest ning millega ja kuidas spektreid uuritakse. Teise osa moodustab koolis tehtud katse.

Spekter

17. sajandil hakati sõna "spekter" kasutama optikas, kus see tähendas värvuste skaalat , mida vaadeldi, kui valge valgus oli prismat läbides murdunud. Varsti hakati spektriks nimetama diagrammi, mis näitab valgustugevuse sõltuvust sagedusest või lainepikkusest. Max Planck avastas hiljem, et sagedus iseloomustab elektromagnetkiirguse energiat: E = hν ,kus E on footoni energia, h on Plancki konstant ja ν on valguse sagedus.
Spekter on kiirgusenergia jaotus sageduste (lainepikkuste) järgi. Värvuste järjestus spektril on samasugune nagu vikerkaarelgi:punane, oranž, kollane, roheline, sinine, violetne, kusjuures üleminek on pidev. Seda värvilist rida nimetatakse spektriks ja vastavaid värve spektrivärvusteks. Nii vikerkaar kui ka spektrid tekivad tänu dispersioonile. Dispersioon on aine murdumisnäitaja sõltuvus valguse lainepikkusest (või sagedusest). Väiksema lainepikkusega valguslained murduvad enam läbiminekul klaasprismast. Tekib värviline valgusspekter . Kui koondada spektrivärvustega kiired läätse abil, saame ekraanil valge valguslaigu. See katse näitab, et valgus ei omanda värvust mitte prisma värvitu klaasi toimel, vaid, et värvilised valgused on koostisosadena valges valguses olemas. Valge valgus koosneb värvilistest valgustest; selle silma langemisel tekib värvusetu nägemisaisting. Spekter tekib seetõttu, et valges valguses sisalduvad värvilised valgused murduvad erineval määral: punane murdub kõige vähem, violetne kõige enam. Kui juhtida spektrivalgus läbi prisma, siis värvilised valgusvihud küll murduvad, kuid ei lagune enam teiste värvustega kiirteks. Seega on spektrivärvused puhtad värvused. Valguse aistingu põhjustavad elektromagnetlained pikkusega 380–760 nm.

Spektrite jaotamine: kiirgus-ja neeldumisspekter

Spektreid jaotatakse oma tekkepõhjuse järgi kiirgus- ja neeldumisspektriteks. Kiirgusspekter näitab, millise lainepikkusega ja intensiivsusega valgust keha kiirgab. Tekivad valguse kiirgumisel erinevate ainete aatomitest. Kiirgusspekter on üksikute monokromaatiliste komponentide kogum. Neeldumisspekter on mustade joonte kogum, mis tekib siis, kui asetada pideva spektri allikast tuleva kiirguse teele mingi aine. Neeldumisspekter näitab, millise lainepikkusega valgust ja kui tugevalt keha neelab. Neeldumisspektri moodustavad mustad neeldumisjooned .Tekib optilise resonantsi põhimõttel. Neeldumisspekter näitab, millise lainepikkusega valguslaineid antud aine neelab. On ka kiirgusspektri "negatiiv".
Neeldumisspekter

Spektromeeter – goniomeeter

Spektromeeter-goniomeeter on seade, kus valgus realiseeritakse elektriliselt ning lisaks on ka võimalus nurki ning kraade mõõta. Spektromeeter-goniomeeter koosneb põhiosadest: kollimaatoritoru, okulaaritoru, prisma või võre alus ning gradueeritud ketas. Täpsem info on toodud töölaual olevast spektromeetri kasutusjuhendis. Spektromeetri põhielemendiks on difraktsioonivõre G. Difraktsioonivõre on läbipaistev plaat, mis on kaetud paralleelsete läbipaistmatute ribadega. Naaberribad paiknevad teineteisest kaugusel D.
Difraktsioonivõrele langeb paralleelne valguskimp . Difraktsiooni tõttu levib valgus igast pilust mitte ainult esialgses suunas, vaid ka valguse lainepikkusest sõltuvate erinevate difraktsiooninurkade all. Kui võre taha asetada koondav lääts, siis kõik need paralleelsed kiired kiired koonduvad läätse fokaaltasandis erinevatesse punktidesse, tekitades sisendpilu kujutise spektrivärvides.
Tänu spektromeetrile on kerge vaadelda aineid ning selgitada nende koostist.
Kahe naaberpilu äärtelt lähtunud kiire käiguvahe on
Δl = D sinφ,
Kus D on naaberpilu vastavate äärte vaheline kaugus, nn võrekonstant ja φ on kiirte kaldenurk võretasandi ristsirge suhtes. Kui käiguvahe Δl võrdub täisarvu lainepikkusega:
D sinφ, = kλ,
siis esineb interferentsimaksimum. Valemis D sinφ, = kλ, on k-ga tähistatud difraktsiooni järk. Erinevate lainepikkustega valguslainete korral on maksimumide tingimus täidetud nurga φ erinevate väärtuste korral. Selle tulemusena laguneb valge valgus difraktsioonivõre läbimisel spektriks. Nurk φ on suurim punase valguse jaoks, sest punase valguse lainepikkus on nähtavas spektriosas suurim. Kõige väiksem on nurk φ violetse valguse jaoks.
Spektraalanalüüsi kasutades on võimalik kiirgus- või neeldumisspektrite abil kindlaks teha aine keemilist koostist. See meetod on ohutu, sest ta ei mõjuta aine keemilist koostist ning aine kindlaks tegemiseks piisab väikestest ainekogustest. Ainet on nii võimalik uurida ka eemalt ilma laborisse toomata. Selleks tuleb uuritava aine aur helenduma panna ning mõõta selle spekter.

Laboris tehtud katse

Asetasin spektraallambi optilisele šiinile (relsile) pilust mõne sentimeetri kaugusele.
Kõigepealt määrasin difraktsioonivõrest otse läbi tulnud valgusele vastava goniomeetri skaala näidu φ0 . Kasutasin selleks nooniust. Nooniuse abil saab näitusid määrata täpsusega 1 nurgaminut.
Seejärel leian difrageerunud violetsetele, sinisele ja rohelisele kaksikjoonele vastavad goniomeetri skaalanäidud ning arvutasin vastavad difraktsiooninurgad.
hv=E2-E1
h – Plancki konstant 6,6210-34 Js
v – kiirguse sagedus
E1 algtaseme energia
E2 lõppastme energia
Mõõtmisandmed paigutasin tabelisse:
nr
lainepikkus
Goniomeetri skaalanäit
Difraktsiooninurk
1
407,8 nm
53,530’
1435’
2
546,1 nm
576’
1741’
3
579,1 nm
5810’
1845’

Neeldumisspektri uurimine

Paigutasin sisendpilu ette spektraallambi asemele hõõglambi. Uurisin hõõglambi kiirguse spektrit.Tegemist on neeldumisspektriga.
Lambi ja sisendpilu vahele asetasin ratsuri, millesse on kinnitatud õhuke värviline plaat. Plaat on valmistatud valgust neelavast ainest. Suunasin lambivalguse sisendpilule. Sisendpilu laiuse jätsin samaks, mis oli spektroskoobi gradueerimisel. Uurisin spektris tekkinud muutusi, mida põhjustas plaadi lisamine. Tegin kindlaks neeldumisribade paiknemise ( tumedad alad pideva spektri taustal).
8. joonis. Plaadi valgustamise skeem.
1 – hõõglamp, 2 – plaat, 3 – lääts, 4 – monokromaatori sisendpilu.
Määrasin goniomeetri skaalanäidud, mis vastavad uuritava aine neeldumisribade piiridele.
Uuritava aine neeldumisspekter
n1=5423’ n1=435 nm
n2=5923’ n2=595 nm
n3=6015’ n3=605 nm
Difraktsiooni nurk
n1 =15°20’
n2 =19°58’ n1 n2 n3
n3=20°50’
Järeldus: Neelab alates 435 nm lühemad lainepikkused ning 595 nm-605 nm laiema lainepikkuse.

Kiirgusspektri uurimine

Tegu on analoogse katsega , kuid lambi ja sisendpilu vahele asetatud ratsurisse kinnitatud õhukese värviline plaat poleks valmistatud valgust neelavast ainest vaid valgust kiirgavast ainest. Tekib kiirgusspekter. Ning mõõta tuleb värviliste joonte vahed .

Kokkuvõte

Spektrite näol on tegu inimeste jaoks igapäevase nähtusega. Spekter ise on kiirgusenergia jaotus sageduste (lainepikkuste) järgi. Spekter tekib tänu dispersioonile. Spektreid jaotatakse kiirgus- ja neeldumisspektriteks ning pidev-ja joonspektriteks. Spektrite uurimiseks on vaja spektromeetrit. Neeldumis -ning kiirgusspektrit saab uurida vastavalt sellele, millise ainega on tegu – kui aine on valgust kiirgav, on tegu kiirgusspektriga, kui aine on valgust neelav , on tegu neeldumisspektriga. Tänu nendele omadustele on kergesti võimalik määrata ära aine omadused.

Kasutatud kirjandus

Hans-Peter Götz „Füüsika“
http://et.wikipedia.org/wiki/Spekter
http://tera.chem.ut.ee/~koit/arstpr/spe.pdf
fyysika.onepagefree.com/.../Ettevalmistus%20optika%20arvestuseks..doc
„Spektromeetri gradueerimine ja aine neeldumisspektri uurimine“ Praktikumi juhend
10