Maite Lacarra Université Pierre et Marie Curie

ParyŜ, Francja

Ariel Majcher Centrum Fizyki Teoretycznej PAN

Warszawa, Polska

Widma wokół nas - zabawa ze spektroskopem

Masz juŜ swój własny spektroskop? Jeśli nie, zbuduj sobie spektroskop według instrukcji zamieszczonej tutaj i skieruj go na róŜne źródła światła. Przekonasz się Ŝe nie kaŜde źródło świeci tak samo. Spektroskop za pomocą siatki dyfrakcyjnej rozszczepia docierające do nas światło na składowe w postaci widma, którego dwa przykłady są przedstawione poniŜej:

Propoujemy wykonanie za pomocą spektroskopu trzech ćwiczeń polegających na badaniu widm róŜnych źródeł światła. Do wykonania ćwiczenia potrzebna będzie kartka i coś do pisania, gdyŜ wyniki obserwacji będziemy notować. MoŜna teŜ fotografować widma, ale do wykonania ćwiczeń w zupełności wystarczy kartka i dlugopis, ewentualnie kolorowe flamastry. Oto proponowane przez nas ćwiczenia: 1. Obserwacja widm róŜnych źródeł światła i porównanie wyników obserwacji z podanymi przykładami. Na tej podstawie moŜna zidentyfikować róŜne typy Ŝarówek - zwykła, energooszczędna, lampa jarzeniowa. 2. Identyfikacja obserwowanych linii widmowych w widmach emisyjnych. 3. Obserwacja Ŝółtej linii widmowej sodu. 4. Obserwacja i identyfikacja linii absorbcyjnych w widmie światła słonecznego.

Część I: Obserwacja widm róŜnych źródeł światła i porównanie ich z naszymi przykładami. Skieruj swój spektroskop na róŜne źródła światła w Twoim otoczeniu: Ŝarówki w mieszkaniu, lampy uliczne, neony reklamujące sklepy i towary. Zrób rysunek kaŜdego zaobserwowanego w ten sposób widma i porównaj z przedstawionymi poniŜej. Czy któreś widmo odpowiada przykładowemu? Jeśli tak, to któremu? Na początek wygląd widma ciągłego. Tak świeci źródło, którego światło składa się ze wszystkich kolorów w zakresie widzialnym:

PoniŜej znajdziesz wykonane przez nas przy pomocy domowego spektroskopu i cyfrowego aparatu fotograficznego zdjęcia widm róŜnych źródeł światła. Zadanie polega na porównaniu widm, które zobaczysz kierując spektroskop na Ŝarówki i lampy w Twoim otoczeniu, z podanymi przykładami. W tym celu najlepiej wydrukować obrazek widma ciągłego a następnie narysować na nim połoŜenie zaobserowanych przez Ciebie linii widmowych.

Widmo nr 1

Widmo nr 2

Widmo nr 3.

Widmo nr 4.

Widmo nr 1 - zwykła Ŝarówka lub Ŝarówka halogenowa. Widmo nr 2 - jarzeniówka starego typu. Widmo nr 3 - jarzeniówka nowego typu. Ma bogatsze widmo i jej światło bardziej przypomina światło słoneczne. Widmo nr 4 - Ŝarówka energooszczędna. Przedyskutuj wnioski, które wyciągnąłeś ze swoich obserwacji z innymi uczniami z Twojej klasy. Czy udało Ci się określić na podstawie widma jakie Ŝródła światła znajdują się w Twoim otoczeniu? Jeśli znajdziesz lampę, której widmo róŜni się od podanych w tym ćwiczeniu, moŜesz poszukać widm róŜnych lamp w internecie.

Część II: Ŝólta linia widmowa sodu Obserując róŜne źródła światła przez spektroskop przekonaliśmy się Ŝe światło niektórych Ŝródeł nie ma charakteru ciągłego, lecz zawiera wyraźne linie widmowe. Widma światła emitowanego przez są czymś w rodzaju dowodów osobistych pierwiastków i cząsteczek. KaŜdy pierwiastek i cząsteczka ma swoje własne, charakterystyczne widmo. Widma dzielą się na emisyjne, powstałe gdy pierwiastki emitują światło, i absorbcyjne, związane z pochłanianiem światła. Jeśli zaciekawiły Cię widma pierwiastków, zachęcamy do odwiedzenia animacji (Java) ilustrującej widma pierwiastków. Oprócz spektroskopu, do wykonania ćwiczenia potrzebna będzie świeczka i odrobina soli.

Rys. 1: Spektroskop z aparatem przygotowany do fotografowania widma świecy

Najlepsza jest świeczka trochę juŜ wypalona, taka w której wokół knota powstało w stearynie małe wgłębienie. Nasyp w okolice knota trochę soli i zapal świeczkę. Doświadczenie warto przeprowadzić w zaciemnionym pokoju lub wieczorem tak aby zmniejszyć wpływ tła, gdyŜ płomień świecy nie świeci zbyt jasno. W spektroskopie zobaczysz wyraźną, Ŝółtą linię. To słynny dublet sodowy, dwie leŜące bardzo blisko siebie linie (zdolność rozdzielcza naszego domowego spektroskopu nie pozwala na ich rozdzielenie), pochodzący od emisji sodu Na:

Rys. 2: Widmo świecy z posolonym woskiem. Wyraźnie jest widoczna pomarańczowa linia sodu

Przypomnij sobie wzór chemiczny soli kuchennej. Czy sól kuchenna zawiera sód? Uwaga! Zachowaj szczególną ostroŜność aby nie spowodować poŜaru!

Część III: widma emisyjne - identyfikacja linii widmowych. Analizując światło odległych gwiazd przy pomocy specjalnie skonstruowanych niezwykle czułych spektroskopów astronomowie nie tylko badają skład chemiczny gwiazdy ale potrafia takŜe na tej podstawie ocenić wiek gwiazd, odkryć pozasłoneczne układy planetarne a nawet zmierzyć masę odległej galaktyki. Identyfikacja linii widmowych gwiazd nie jest prosta i dlatego zaczniemy od prostszego zadania. Twoim zadaniem w tej części jest identyfikacja linii, które obserwujesz w widmach lamp jarzeniowych. Identyfikacja, to znaczy określenie jakiej długości fali odpowiadają i przypisanie kaŜdej linii, na podstawie informacji zawartych w ćwiczeniu, emisji pochodzącej od konkretnego pierwiastka lub cząsteczki. Na początek przypominamy widmo ciągłe na tle dokładnej podziałki. Na tej podstawie moŜesz oszacować długości fali światła odpowiadającego poszczególnym liniom widmowym:

Rys. 3: widmo ciągłe w zakresie widzialnym

Wydrukuj obraz widma ciągłego i narysuj na nim połoŜenie linii widmowych w widmach lamp, które obserujesz za pomocą spektroskopu. PoniŜej znajdziesz informacje na temat długości fali odpowiadających liniom emisyjnym w widmach róznych lamp. Szczególy widm róŜnych Ŝarówek (źródło: Wikipedia): 1. widmo jarzeniówki starego typu:

Rys. 4: natęŜenie linii widmowych w funkcji długości fali w jarzeniówce starego typu

numer linii

długość fali (nm)

pierwiastek

1 364.24 rtęć

2 403.53 rtęć

3 434.83 rtęć

4 545.63

rtęć

5 576.35 prawdopodobnie rtęć

6 578.15 prawdopodobnie rtęć

Tabela nr 1: identyfikacja pików w widmie jarzeniówki starego typu

Jak widać, jest to bardzo proste widmo i nie powinno być trudności ze zidentyfikowaniem linii widmowych. Na dodatek wszystkie linie widmowe w świetle widzialnym pochodzą od jednego pierwiastka – rtęci. 2. Widmo jarzeniówki nowoczesnej:

Rys. 5: natęŜenie linii widmowych w funkcji długości fali w jarzeniówce nowoczesnej

Nowoczesne jarzeniówki mają znacznie bardziej skomplikowane widma, gdyŜ świecą światłem przypominającym światło słoneczne. Widmo ma więcej linii przez co identyfikacja jest trudniejsza.

Numer piku

Długość fali piku [nm]

pierwiastek

1 405.4 rtęć

2 436.6 rtęć

3 487.7 terb Tb3+

4 542.4 terb Tb3+

5 546.5 rtęć

6 577.7 prawdopodobnie terb Tb3+ lub rtęć

7 580.2 rtęć lub terb Tb3+

8 584.0 prawdopodobnie terb Tb3+ lub europ Eu+3:Y2O3

Tabela nr 2: Identyfikacja pików w widmie jarzeniówki nowoczesnej cd. tabeli nr 2:

Numer piku

Długość fali piku [nm]

pierwiastek

9 587.6 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

10 593.4 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

11 599.7 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

12 611.6 europ Eu+3:Y2O3

13 625.7 prawdopodobnie terb Tb3+

14 631.1 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

15 650.8 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

16 662.6 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

17 687.7 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

18 693.7 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

19 707 i 709 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

20 712.3 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3

21 760.0 prawdopodobnie argon Ar

22 811.0 prawdopodobnie argon Ar

Tabela nr 2 cd.: Identyfikacja pierwiastków w widmie jarzeniówki nowoczesnej

Mając te wszystkie dane przystępujemy do wykonania ćwiczenia: I. porównaj widmo, które zaobserwowałeś, z rysunkiem widma ciągłego (rys. nr 1) i odczytaj moŜliwie najdokładniej jakiej długości fali odpowiada kaŜda linia widmowa II. spróbuj zidentyfikować widmo, to znaczy przypisać je do określonego typu

lampy. W tym celu trzeba porównać połoŜenie obserwowanych linii widmowych z połoŜeniem linii widmowych róŜnych lamp posługując się wyznaczonymi długościami fali róŜnych linii widmowych. Uwaga na róŜne skale na róŜnych rysunkach! III. korzystając z tabel pod rysunkami widm znajdź pierwiastki których emisja odpowiada za poszczególne linie IV. zanotuj wyniki swoich obserwacji w tabelce:

typ lampy opis linii długość fali pierwiastek cechy szczególne

np. Ŝarówka halogenowa

np. grupa linii niebieskich, słabe

V. po wykonaniu ćwiczenia porównaj swoje wyniki z koleŜankami i kolegami.

Część IV: obserwacja i identyfikacja linii absorbcyjnych w widmie słonecznym - linie Fraunhofera. Do obserwacji widma słonecznego naleŜy zbudowac spektroskop z długą tubą. Im dłuŜsza tuba spektroskopu, tym większa zdolność rozdzielcza i tym mniejszy wpływ niedokładności przy wykonaniu szczeliny. Ćwiczenie oparte jest na obserwacjach wykonanych spektroskopem zrobionym z tuby o długości 1m. Tuby takie moŜna bez trudu kupić za parę złotych w internecie. UWAGA!!! Pod Ŝadnym pozorem nie wolno patrzeć w Słońce, bo moŜna uszkodzić wzrok. Do obserwacji widma nie trzeba patrzeć bezpośredno na naszą gwiazdę dzienną. Jeśli w ładny, słoneczny dzień skierujemy spektroskop na czyste niebo, powinniśmy zaobserwować widmo rozproszonego światła słonecznego. Na tle widma ciągłego widać wyraźnie kilka ciemnych linii. Są to linie absorbcyjne pochodzące od absorbcji światła przez pierwiastki znajdujące się w zewnętrznych warstwach atmosfery Słońca. Od nazwiska współodkrywcy nazywane są liniami Fraunhofera. PoniŜej na zdjęciu jest przedstawiony zestaw przygotowany do fotografowania widma słonecznego:

Rys. 6: spektroskop z aparatem przygotowany do fotografowania widma słonecznego

Dobrze jest osłonić oczy/aparat jakąś przesłoną, taką jak widoczna na zdjęciu wykonana z czarnego kartonu tulejka nałoŜona na spektroskop. Pozwoli ona na zwiększenie kontrastu i poprawi widoczność widma.

Zdjęcie przestawiające widmo słoneczne z liniami Fraunhofera:

Niestety kaŜdy aparat cyfrowy ma wbudowane filtry (w ten sposób powstaje kolorowy obraz) i zdjęcie ma duŜo gorszą jakość niŜ obraz widoczny gołym okiem. Dlatego najlepsza metoda obserwacji widma Słońca polega na tym aby wydrukować obraz widma ciągłego i na nim zaznaczyć llinie, które widzimy, a następnie porównać wyniki z widmem zamieszczonym poniŜej (źródło: www.harmsy.freeuk.com/fraunhofer.html):

Na podstawie rysunku i poniŜszej tabeli spróbować zidentyfikować widoczne linie:

Linia pierwiastek długość fali [nm]

A - pasmo O2 759.4 - 762.1

B - pasmo O2 686.7 - 688.4

C H 656.3

a - pasmo O2 627.6 - 628.7

D -1, 2 Na 589.6, 589.0

E Fe 527.0

b -1, 2 Mg 518.4, 517.3

c Fe 495.8

F H 486.1

d Fe 466.8

e Fe 438.4

f H 434.0

Linia pierwiastek długość fali [nm]

G Fe i Ca 430.8

g H 422.7

h Ca 410.2

H Ca 396.8

K Ca 393.4

Czy moŜesz zidentyfikować dublet sodowy D? To są linie absorbcyjne odpowiadające liniom emisyjnym soli kuchennej, które obserwowaliśmy w częsci II. Na koniec porównaj swoje wyniki z wynikami koleŜanek i kolegów z klasy.