ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕОРИЯ

Спектры Сплошные Линейчатые Полосатые

Сплошной спектр

Полосатый спектр

Линейчатый спектр

Атомные эмиссионные спектры Оптические спектры, получающиеся при испускании или поглощении электромагнитного излучения свобод- ными или слабо связанными атомами (например, в газах или парах). При переходе электрона на новый электрон- ный уровень, атом испускает или поглощает квант света определенной длины волны, а соответственно и цвета.

Молекулярные спектры Молекулярные спектры сильно отличаются от атомных. Атомные спектры состоят из редко расставленных линий, которые сбегаются к концам серий. Число наблюдаемых серий в атомах с малым числом внешних электронов невелико. В молекулярных же спектрах весьма большое число отдельных линий образует характерные скопления, в каждом из которых линии у одного края располагаются настолько тесно, что при наблюдении они сливаются. Поэтому все скопления приобретают вид полосы – резкой с одного края и размытой с другого. По этой причине спектры молекул называются полосатыми спектрами.

Энергия двухатомной молекулы А) энергия электронной оболочки молекулы Еэл. Б) энергия колебаний ядер атомов, входящих в состав молекулы, около их положения равновесия Екол. В) энергия вращения молекулы как целого Евр.

Вращательная энергия молекулы может принимать только дискретные значения.

На рис. 2 приведена схема колебательных уровней молекулы при малых энергиях колебаний. Кривая потенциальной энергии совпадает с параболой (3) только при малых колебаниях

Разность энергий D равновесного состояния молекулы и состояния, когда атомы (или ионы) удалены друг от друга за пределы действия междуатомных сил, называется энергией диссоциации. Она численно равна работе, которую надо совершить, чтобы разорвать химические связи.

На рис. 8 D – энергия диссоциации невозбужденной молекулы, D' – возбужденной.

ПРАКТИКА

ОБОРУДОВАНИЕ: спектрограф PGS-2, ртутная лампа, лампа накаливания, кювета- печь с йодом,. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: знакомство со структурой молекулярных спектров и атомных спектров, определение с их помощью энергии диссоциации молекул йода

Порядок выполнения работы Для получения спектра поглощения молекулы йода пучок света от лампы накаливания мы пропустили сквозь пары йода и исследовали прошедший свет с помощью спектрального прибора. Пары, состоящие из молекул I 2, создаются путём нагревания кристаллического йода в специальной кювете с прозрачными стенками (при этом йод переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу) и исследуются с помощью спектрографа с плоской дифракционной решеткой PGS 2, который представляет собой прибор, предназначенный для проведения эмиссионного спектрального анализа.

Установки для наблюдения спектра поглощения молекулы йода 1) Ртутная лампа 2) Кювета с йодом 3) Электропечь 4) Спектральный прибор PGS-2 5) Дифракционная решётка 6) ПЗС-линейка 7) Компьютер, с помощью программы CCD-ArrayToolkit

, Особые преимущества прибора: большая дисперсия, высокая разрешающая способность возможность удвоения дисперсии за счет двукратного прохождения лучей простая регулировка диапазонов длин волн удобная смена дифракционной решетки стигматическое изображение для спектров всех порядков по всему спектральному диапазону плоский спектр и прямые спектральные линии шкала длин волн рис. 1

Рассмотрим схему хода лучей в нашей установке: Лучи света от источника света 1, попадают на систему конденсаторов 2 и 3, и минуя прецизионную щель 4 и падают на поворотное зеркало 5. Далее пучок лучей, идущих от поворотного зеркала, отражается от нижней части вогнутого зеркала 11, и направляется в виде параллельных лучей на решетку 13. Верхняя часть вогнутого зеркала 12 собирает отраженные и диспергированные на решетке параллельные лучи; таким образом в плоскости приемника 14, расположенного над решеткой, образуется спектр, который получается плоским. рис. 2

Приборы с зарядовой связью Далее для регистрации изображения полученного спектра на экране ПК мы использовали ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ. Принцип работы прибора с зарядовой связью ((ПЗС), в английском языке "charge- coupled devices" (CCD)) был предложен в 1969 г. Бойлем и Смитом. Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. ПЗС приемники широко используются в научных исследованиях, заменяя глаз наблюдателя и фотопластинки. В астрономии это средство регистрации изображений в телескопах, в оптике - пучков света, спектров излучения и т.д.

Если в ПЗС приёмнике пиксели - элементы, принимающие свет и преобразующие его в электрические заряды выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, если пиксели ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей (рис. 3). Размеры отдельных пикселей одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон.

Порядок подготовки к съемке Из-за архитектурных особенностей используемого ПЗС нужно предварительно выбрать только те спектральные диапазоны, которые необходимы для проведения качественного спектрального анализа заданных элементов пробы. Используя планшеты атласа спектра железа, зарегистрированного с помощью дифракционного спектрометра PGS-2 и ПЗС-линейки, мы определили угол поворота дифракционной решетки, соответствующий рассматриваемой спектральной линии. Установка решетки на различные диапазоны длин волн производится поворотом решетки. Любую длину волны можно установить в середину приемника. Положение решетки можно отсчитывать по барабану с ценой деления 0,01. рис. 4

Регистрация атомных эмиссионных спектров В штативе газоразрядной камеры закрепили железные электроды и при заданных условиях межэлектродного промежутка (1,5 - 2 мм) и силы тока дуги переменного тока (2-4 А) возбудили эмиссионное свечение атомов железа. Спектр железа необходим, как шкала длин волн, которая позволяет определить местоположение линий искомого элемента.

Схема установки для получения атомного спектра железа 1) Генератор дуги переменного тока НБС-28 2) Газоразрядная камера с железными электродами между которыми происходит духовой разряд 3) Излучение 4) Спектральный прибор PGS-2 5) Дифракционная решётка 6)ПЗС- линейка 7) Компьютер, формирующий на мониторе спектры с помощью программы CCD- ArrayToolrit

Градуировочный график угла поворота дифракционной решетки PGS-2 для установки заданной спектральной области. рис. 5

Р азложенное в спектр излучение железа зарегистрировали ПЗС-линейкой, выполняя следующие действия: - на компьютере запустили программу CCDTool; - подобрали время экспозиции (Exposure (ms)) и количество кадров (Frames); - нажали кнопку START; - для ориентации по длинам волн, наблюдая на экране компьютера спектрограмму эмиссионного излучения атомов железа (например, рис. 7), сравнили полученное распределение с используемым на данном этапе планшетом атласа; - сохранили полученный спектр в формате txt и xls.

рис. 7

Порядок выполнения работы По электронно-колебательному спектру поглощения паров йода определили энергию диссоциации молекулы I 2. Для этого: Изучили устройство спектрографа PGS-2. Компьютер в выключенном состоянии подсоединяем к выходу системы регистрации. Запускаем программу CCDTOOL. Устанавливаем положение барабана около 935 делений. Кювету с I 2 (йод кристаллический) установили на специальном столике по ходу светового луча. Источник – лампа накаливания. Включаем лампу накаливания и подогрев кюветы.

Спектры поглощения рекомендуется регистрировать при сравнительно небольшой упругости паров I 2 (упругость паров йода можно контролировать по окраске белого экрана, помещенного между кюветой и щелью спектрографа). Окраска должна быть бледно-розовой, а не малиновой). В этом же положении барабана снимаем спектр железа. Для этого устанавливаем щель – 10 мкм, ток генератора – 2 А. Сопоставляем спектры йода и железа и определяем ГР. Спектр железа используется для отождествления соответствующей граничной чатоте г.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!