Mierzymy otaczający nas świat
Email

Różne źródła światła mają różne widma!!!


 

Różne źródła światła mają różne widma

  Maite Lacarra
Université Pierre et Marie Curie
Paryż, Francja

 

  Ariel Majcher
Centrum Fizyki Teoretycznej PAN
Warszawa, Polska

 

Widma wokół nas
- zabawa ze spektroskopem

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


Propoujemy wykonanie za pomocą spektroskopu trzech ćwiczeń polegających na badaniu widm różnych źródeł światła. Do wykonania ćwiczenia potrzebna będzie kartka i coś do pisania, gdyż wyniki obserwacji będziemy notować. Można też fotografować widma, ale do wykonania ćwiczeń w zupełności wystarczy kartka i dlugopis, ewentualnie kolorowe flamastry.
  • 1. Obserwacja widm różnych źródeł światła i porównanie wyników obserwacji z podanymi przykładami. Na tej podstawie można zidentyfikować różne typy żarówek - zwykła, energooszczędna, lampa jarzeniowa.
  • 2. Identyfikacja obserwowanych linii widmowych w widmach emisyjnych.
  • 3. Obserwacja żółtej linii widmowej sodu.
  • 4. Obserwacja i identyfikacja linii absorbcyjnych w widmie światła słonecznego.
Różne źrodła światła mają różne widma


 
Program nauczania/Przedmioty:
Szkoła ponadgimnazjalna
Podstawa programowa: światło i jego rola w przyrodzie
temat: analiza spektralna

Część I: Obserwacja widm różnych źródeł światła.

Skieruj swój spektroskop na różne źródła światła w Twoim otoczeniu: żarówki w mieszkaniu, lampy uliczne, neony reklamujące sklepy i towary. Zrób rysunek każdego zaobserwowanego w ten sposób widma i porównaj z przedstawionymi poniżej. 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:

 

  Poniżej znajdziesz wykonane przez nas przy pomocy domowego spektroskopu i cyfrowego aparatu fotograficznego zdjęcia widm różnych źródeł światła. Zadanie polega na porównaniu widm, które zobaczysz kierując spektroskop na żarówki i lampy w Twoim otoczeniu, z podanymi przykładami. W tym celu najlepiej wydrukować obrazek widma ciągłego a następnie narysować na nim położenie zaobserowanych przez Ciebie linii widmowych.
widmo żarówki halogenowej
widmo nr 1
widmo nr 2
widmo nr 3
widmo nr 4

Widmo nr 1 - zwykła żarówka lub żarówka 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 - żarówka energooszczędna.

Przedyskutuj wnioski, które wyciągnąłeś ze swoich obserwacji z innymi uczniami z Twojej klasy.
 
Czy udało Ci się określić na podstawie widma jakie żródła światła znajdują się w Twoim otoczeniu? Jeśli znajdziesz lampę, której widmo różni się od podanych w tym ćwiczeniu, możesz poszukać widm różnych lamp w internecie.
Część II: żólta linia widmowa sodu

Obserując różne źródła światła przez spektroskop przekonaliśmy się że światło niektórych żródeł nie ma charakteru ciągłego, lecz zawiera wyraźne linie widmowe.  Widma światła emitowanego przez są czymś w rodzaju dowodów osobistych  pierwiastków i cząsteczek. Każdy 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 już 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, gdyż płomień świecy nie świeci zbyt jasno. W spektroskopie zobaczysz wyraźną, żółtą linię. To słynny dublet sodowy, dwie leżące bardzo blisko siebie linie (zdolność rozdzielcza naszego domowego spektroskopu nie pozwala na ich rozdzielenie), pochodzący od emisji sodu Na:


linia sodu
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 ostrożność aby nie spowodować pożaru!
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 także 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 każdej 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 możesz oszacować długości fali światła odpowiadającego poszczególnym liniom widmowym:

widmo ciągłe z podziałką
 Rys. 3: widmo ciągłę w zakresie widzialnym

Wydrukuj obraz widma ciągłego i narysuj na nim położenie linii widmowych w widmach lamp, które obserujesz za pomocą spektroskopu. Poniżej znajdziesz informacje na temat długości fali odpowiadających liniom emisyjnym w widmach róznych lamp.

Szczególy widm różnych żarówek (źródło: Wikipedia):

1. widmo jarzeniówki starego typu:

natężenie linii widmowych w funkcji długości fali dla jarzeniówki starego typu
Rys. 4: natężenie 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 powinieneś mieć trudności ze zidentyfikowaniem linii widmowych. Na dodatek wszystkie linie widmowe w świetle widzialnym pochodzą od jednego pierwiastka - rtęci.


2. Widmo jarzeniówki nowoczesnej:

Rys. 5: natężenie linii widmowych w funkcji długości fali w jarzeniówce nowoczesnej
kliknij, aby powiększyć powyższy obrazek

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

Numer pikuDługość 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
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 et 709 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3
20 712.3 prawdopodobnie europ Eu+3:Y2O3
21 760.0 prawdopodobnie argon
22 811.0 prawdopodobnie argon
Tabela 2: Identyfikacja pików 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 możliwie najdokładniej jakiej długości fali odpowiada każda linia widmowa

II. spróbuj zidentyfikować widmo, to znaczy przypisać je do określonego typu lampy. W tym celu trzeba porównać położenie obserwowanych linii widmowych z położeniem linii widmowych różnych lamp posługując się wyznaczonymi długościami fali różnych linii widmowych.  Uwaga na różne skale na różnych rysunkach!
III. korzystając z tabel pod rysunkami widm znajdź pierwiastki których emisja odpowiada za poszczególne linie
IV. zanotuj wyniki swoich obserwacji w tabelce:
typ lampyopis liniidługość falipierwiastekcechy szczególne
np. żarówka halogenowa np. grupa linii niebieskich, słabe      

V.
po wykonaniu ćwiczenia porównaj swoje wyniki z koleżankami i kolegami.
Część IV: obserwacja i identyfikacja linii absorbcyjnych w widmie słonecznym -  linie Fraunhofera.

Do obserwacji widma słonecznego należy zbudowac spektroskop z długą tubą. Im dłuższa 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 można bez trudu kupić za parę złotych w internecie.

UWAGA!!! Pod żadnym pozorem nie wolno patrzeć w Słońce, bo można 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.

Poniżej na zdjęciu jest przedstawiony zestaw przygotowany do fotografowania widma słonecznego:

spektroskop przygotowany do fotografowania widma słonecznego
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 nałożona na spektroskop. Pozwoli ona na zwiększenie kontrastu i poprawi widoczność widma.

Zdjęcie przestawiające widmo słoneczne z liniami Fraunhofera:

widmo słoneczne

Niestety każdy aparat cyfrowy ma wbudowane filtry (w ten sposób powstaje kolorowy obraz) i zdjęcie ma dużo gorszą jakość niż 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 poniżej (źródło: www.harmsy.freeuk.com/fraunhofer.html):

rysunek widma słonecznego



Na podstawie rysunku i poniższej tabeli spróbować zidentyfikować widoczne linie:

Liniapierwiastekdługość 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
G Fe i Ca 430.8
g Ca 422.7
h H 410.2
H Ca 396.8
K Ca 393.4

Czy możesz 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 koleżanek i kolegów z klasy.
 
br /