Załamanie i rozszczepianie światła przez pryzmat Światło emitowane przez dowolne źródło promieniowania składa się z fal elektromagnetycznych o różnych długościach. Możemy się o tym przeko-nać, wykorzystując pryzmat - przyrząd posiadający zdolność dyspersji, czyli rozszczepiania światła. Gdy światło białe po przejściu przez wąską podłużną szczelinę pada na pryzmat ulega dwukrotnie załamaniu na ściankach łamiących oraz rozszczepieniu barwnemu polegającemu na róż-nym odchyleniu promieni o różnych barwach. Promienie czerwone C są odchylane najmniej, a fioletowe F najsilniej.

Dyspersja ośrodka Rozszczepienie jest bezpośrednim następstwem faktu, że współczynnik załamania zależy od długości fali. Dyspersją ośrodka nazywamy pochodną współczynnika załamania względem długości fali. Dyspersja ośrodka wzrasta szybko, gdy długość fali maleje.

Dyspersja kątowa pryzmatu Wielkość rozszczepienia przez pryzmat zależy nie tylko od dyspersji ośrodka, lecz również od kąta padania i kąta łamiącego. Wielkością charakteryzującą rozszczepienie dla danego pryzmatu jest dyspersja kątowa pryzmatu:

D=dφ/dλgdzie φ jest kątem odchylenia

Widma liniowe, pasmowe i ciągłeObraz rozszczepionej wiązki na ekranie nazywamy widmem promieniowania danego źródła światła. Ciała stałe w podwyższonej temperaturze emitują promieniowanie o widmie ciągłym, zawierającym wszystkie możliwe długości fal. Gazy dwuatomowe i bardziej złożone pobudzone do świecenia emitują długości fal z pewnych przedziałów, dając widmo pasmowe. Gazy jednoatomowe oraz pary ciał stałych promieniują widmo liniowe, w którym występuje zespół kilku do kilkudziesięciu długości fal o ściśle określonych wartościach. Widmo liniowe ma postać układu wąskich, barwnych linii (prążków). Każdy pierwiastek ma swoje indywidualne widmo, nie po-wtarzające się dla żadnego innego pierwiastka.

Identyfikacja pierwiastków na podstawie widmZe względu na jednoznaczne przyporządkowanie pierwiastka do danego widma, powyższa właściwość stanowi podstawę metody identyfikacji pierwiastków na podstawie ich widm - analizy widmowej lub spektralnej. Widma wszystkich pierwiastków są znane i podane w odpowiednich tablicach. W celu zidentyfikowania jakiegoś pierwiastka należy doświadczalnie wyznaczyć jego widmo i następnie znaleźć w tablicach pierwiastek posiadający widmo identyczne.

Budowa spektroskopu Do badania widm używa się spektroskopów, w których elementem rozszczepiającym światło jest siatka dyfrakcyjna lub pryzmat.Podstawowe elementy spektroskopu przedstawia rys. 6.20. Światło z badanego źródła Z1 oświetla szczelinę Sz znajdującą się w ognisku soczewki S1Szczelina wraz z soczewką stanowi kolimator wytwarzający równoległą wiązkę światła. Po przejściu przez pryzmat z każdego jego punktu wychodzą rozszczepione wiązki rozbieżne, które się wzajemnie przecinają, jednak promienie o tej samej długości fali są wzajemnie równoległe. Promieniom o każdej długości fali odpowiada inny kąt względem osi optycznej soczewki S2 dzięki czemu wszystkie one mają ogniska w jednej płaszczyźnie ogniskowej, ale ognisko dla każdej barwy (długości fali) znajduje się w innej odległości od osi optycznej. Ostatecznie w płaszczyźnie ogniskowej powstaną wąskie, rozdzielone obrazy szczeliny - Unie widmowe - o takich barwach, jakie są zawarte w promieniowaniu źródła.Widmo możemy rejestrować, ustawiając w płaszczyźnie ogniskowej kliszę fotograficzną lub inny detektor albo też obserwować okiem za pomocą okularu Ok.W celu łatwego określenia położenia linii, widmo widoczne jest na tle skali Sk z oznaczoną podziałką. Obraz skali w lunetce powstaje w podobny sposób jak obraz szczeliny. Skala naniesiona na szkle lub błonie fotograficznej znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej soczewki S3 - i jest oświetlana dodatkowym źródłem Z2. Po wyjściu z kolimatora D promienie odbijają się od powierzchni pryzmatu, po czym biegną w ten sposób, jak światło z kolimatora K, tworząc obraz skali w tym samym miejscu co obraz szczeliny.

Cechowanie spektroskopu Skala używanego w ćwiczeniu spektrometru jest względna, nie daje bezpośrednio długości fali. Aby określić długości fal występujących w danym widmie, musimy wpierw wycechować spektroskop, tzn. przyporządkować danym podziałkom skali określone długości fali. Dokonujemy tego, używając światła substancji emitujących znane widma. Do tego celu używamy najczęściej rurek jarzeniowych wypełnionych wodorem, helem, neonem lub parami rtęci Rurki te, zwane rurkami Geissiera pobudzane są do świecenia wysokim napięciem z cewki Ruhmkorffa. Rurkę umieszczamy przed szczeliną kolimatora w odległości 2-3 cm, ustalając jej pozycję tak, aby oglądane przez lunetkę widma miały jak największą jasność. Odczytujemy na skali położenia linii i zapisujemy je w tabeli pomiarów. Dobrze jest również zanotować względne natężenie linii (bardzo silna, silna, słaba). Związek między długością fali i położeniem na skali poszczególnych linii widmowych przedstawiamy graficznie w postaci tzw. krzywej dyspersji.

Widma absorpcyjne Obserwując za pomocą spektroskopu ciało świecące, otrzymujemy jego widmo emisyjne. Przy identyfikacji widma przypisujemy (odwrotnie niż przy cechowaniu) położeniom linii na skali długości fal odczytane z krzywej dyspersji. Mając określone długości fal, jak również zaznaczone ich względne natężenia, znajdujemy w tablicach spektroskopowych pierwiastek posiadający uzyskane widmo.Spektroskop można wykorzystać również do badania widma absorpcyjnego (widma pochłaniania). W tym celu umieszczamy przed szczeliną kolimatora kuwetę z cieczą lub płytką barwną z ciała stałego i kierujemy na nią, w kierunku kolimatora, światło białe, Gdyby nie było pochłaniania, w lunetce powstałby obraz widma ciągłego. Dla większości ciał zabarwionych otrzymujemy jednak ciemne pasma na tle widma ciągłego. Ten układ ciemnych pasm (dla ciał stałych i cieczy) lub linii (dla gazów) nazywamy widmem absorpcyjnym.

Fotoluminescencja Niektóre ciała można pobudzić do świecenia przez naświetlanie ich z innego źródła. Ten rodzaj świecenia nazywamy fotoluminescencją. Widmo fotoluminescencji otrzymujemy podobnie, jak widma absorpcji, z tą różnicą, że obecnie lampę naświetlającą umieszczamy nie przed szczeliną kolimatora, lecz z boku, tak że wiązka światła pobudzającego biegnie prostopadle do osi kolimatora.

Reguła StokesaBadając widmo absorpcji i widmo luminescencji dla tej samej substancji zauważymy, że to ostatnie jest przesunięte bardziej w stronę fal długich. Ta prawidłowość nosi nazwę reguły Stokesa i może być wytłumaczona na bazie zasady zachowania energii Mianowicie, kwant promieniowania pochłoniętego ma energię hva, która nie może być większa energii kwantu emitowanego hve, gdyż światło pochłonięte jest źródłem energii dla procesuemisji. Zatem

hva>=hve

Biorąc pod uwagę związek v = c/λ, otrzymamy nierówność:λ c>= λe

która wyraża właśnie regułę Stokesa.

Przebieg ćwiczenia1. Włączyć oświetlenie skali.2. Umocować rurkę geisslerowską o znanej zawartości gazu w specjalnym uchwycie i umieścić ją przed

szczeliną kolimatora.3. Połączyć elektrody rurki z cewką RuhmkorfFa i uruchomić cewkę.4. Odczytać położenia linii widmowych na skali i z tablicy znaleźć odpowiadające im długości fal5. Na papierze milimetrowym wykreślić krzywą dyspersji.6. Zbadać widmo rurki geisslerowskiej o nieznanej zawartości Podać, jakim gazem jest ona wypełniona.7. Zbadać widmo absorpcyjne cieczy. Wyznaczyć przedział pochłaniania oraz sprawdzić regułę Stokesa.