Качественный спектральный анализ

 

Ц е л ь р а б о т ы:

Ознакомиться с явлением дисперсии стеклянной призмы.

Ознакомиться с качественным спектральным анализом.

 

О б о р у д о в а н и е: Монохроматор УМ-2, кювета с исследуемым раствором, источник света.

 

Теоретические сведения

 

 

Существует однозначная связь между спектром испускания и химической индивидуальностью атомов. На этом основан спектральный анализ, т.е. определение качественного и количественного состава излучающей смеси паров по ее спектру.

Основной частью спектрального прибора (рис. 16), используемого в данной работе, является призма, осуществляющая дисперсию пучка света по длинам волн.

Дисперсия света заключается в том. Что если в вакууме световые волны различных частот и, следовательно, различных длин распространяются с одинаковой скоростью, то в веществе скорость света различна для волн различной длины. Это приводит к тому, что показатель преломления вещества, который, как известно, измеряется отношением скорости света в вакууме к скорости света в данном веществе, оказывается зависящим от частоты. Лучи света с различной частотой (длиной волны) преломляется по-разному и, таким образом, могут быть разделены. Чем большей дисперсией обладает данное вещество, тем больше оно может разделить близко расположенные спектральные линии.

 

 

Рис.16

 

Так как угол отклонения луча призмой (2) зависит не только от длины волны, но и от угла падения на призму, важно, чтобы все падающие на призму лучи были параллельны. Это достигается с помощью коллиматора. Коллиматор имеет узкую щель (1), которая помещается в области коллиматорной линзы. Рассматривается спектр через зрительную трубу, соcтоящую из объектива (3) и окуляра (4). Объектив в своей фокальной плоскости дает много изображений щели, образованных каждым из монохроматических пучков окрашенных в соответствующий цвет.

Эти изображения рассматриваются через окуляр. В монохроматоре, служащем для выделения монохроматического света, в фокальной плоскости окуляра помещена вторая щель (5), выделяющая строго монохроматическую волну.

Исследуя спектр поглощения водного раствора двухромовокислого калия, можно определить постоянную Планка. Двухромовокислый калий в воде диссоциирует на ионы K⁺ и Cr₂O₇^{- -} .

 

K₂ Cr₂O₇ Û 2K⁺ + Cr₂O₇^{- -} .

 

Ионы калия в видимой части спектра на поглощают, а ионы Cr₂O₇^{- -} поглощают все лучи сине-фиолетовой части спектра.

Установлено, что кванты света с длиной волны, соответствующей началу поглощения, производят отщепление молекул CrO₃ от иона Cr₂O₇ по уравнению:

Cr₂O₇ + hn = Cr₂O₄ + Cr₂O₃ .

С другой стороны, известно, что для отщепления CrO₃ от иона Cr₂O₇ необходимо затратить энергию 3,672 × 10^-19 Дж. Эта энергия и равна энергии поглощения кванта hn, где n - частота, соответствующая началу поглощения.

Измерение и обработка результатов

 

I. Градуировка монохроматора.

1. Включите ртутную лампу. Отрегулируйте ширину входной щели так, чтобы спектр был четким и контрастным.

2. Отградуируйте монохроматор, т. е. определите, какому делению шкалы барабана соответствует определенная длина волны света. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

№ измерения	l, нм	Номер деления барабана (угловое расстояние между спектральными линиями)
	Красная 690,7
	Красная 671,6
	Оранжевая 623,4
	Оранжевая 612,3
	Оранжевая 607,3
	Желтая 579,1
	Желтая 577
	Зеленая 546,1
	Голубая 491,6
	Фиолетовая 435,8
	Фиолетовая 434,8
	Фиолетовая 433,9
	Фиолетовая 407,8
	Фиолетовая 404,7

 

Наиболее характерными для спектра ртути являются две весьма близко расположенные желтые линии (l = 579,1 нм и l =577,0 нм). Справа от нее расположена зеленая очень яркая линия (l = 546,1 нм), далее средней яркости голубая линия (l = 491,6 нм), далее три фиолетовых линии: самая яркая (l = 435,8 нм) и две отдельные фиолетовые умеренной яркости (l = 434,8 нм и 433,9 нм). Далее четко видны две отдельные фиолетовые линии умеренной яркости (l = 407,8 нм и l = 404,7 нм). Слева от желтого дублета видна оранжевые линии и красные линии. При наиболее внимательном рассмотрении могут быть замечены еще несколько бледных линий, которые для градуировки существенного значения не имеют.

 

3. Постройте градуировочный график N = f (l), откладывая по оси абсцисс l (нм), а по оси ординат - деления шкалы барабана.

 

II. Качественный спектральный анализ (определение газа в источнике света).

 

1. Поставьте перед входной щелью монохроматора исследуемый источник света и включите его.

2. Снимите спектр исследуемого вещества, записывая деления шкалы барабана монохроматора наиболее ярки(l = х спектральный линий. По градуировочному графику определите длины волн спектральных линий. Данные занесите в таблицу 2.

 

Таблица 2.

№ п/п	Номер деления шкалы барабана монохроматора	l, нм
1.	Краcная
2.	Голубая
3.	Сине-фиолетовая
4.	Фиолетовая

III. Определение постоянной Планка.

 

1. Зажгите лампу накаливания и пронаблюдайте сплошной спектр.

2. Поместите перед входной щелью монохроматора на пути светового пучка кювету с водным раствором двухромовокислого калия. Сплошной спектр лампы оказывается обрезанным с фиолетового конца. Определите наибольшую длину волны, поглощенную раствором.

Зная длину волны поглощения, вычислите частоту по формуле:

где c - скорость света.

Подсчитайте постоянную Планка по формуле

,

где Е = 3,672 × 10^-19 Дж.

Контрольные вопросы

 

1. Какое физическое явление лежит в основе спектрального анализа?

2. Что называется дисперсией света?

3. Чем отличается эмиссионный спектр вещества от абсорбционного?

4. Какой свет называется монохроматическим?

 

Литература

 

1. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965, раб. 83.

2. Майсова Н.М. Практикум по курсу общей физики. М.: Высш.школа,1970, раб.77, 78.

3. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3-х т. М.: Наука, 1982, т.3.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10