Widma optyczne - Mirosław Kwiatek

Temat: Widma optyczne – ich rodzaje i zastosowania i analizy
spektroskopem pryzmatycznym
- Mirosław Kwiatek
-Skąd wiadomo z czego zbudowane są gwiazdy skoro nawet gdyby było możliwe szybkie podróżowanie do nich i
…duże fundusze - nie można by na nich wylądować z powodu tak wysokiej temperatury, że próbnik stopiłby się?
-Jak w kryminalistyce bada się że przyczyną śmierci było otrucie?
-Skąd może wiedzieć konkurencja z jakich pierwiastków i w jakich ilościach zbudowany jest
jakiś nowy materiał na wyroby?
W 1704 r. Newton ‘rzucił’ światło białe (słoneczne) na pryzmat (pod kątem rozwartym do
powierzchni) i otrzymał tzw widmo ciągłe na ekranie za pryzmatem. Widmo takie to ‘tęcza’
od czerwieni bliżej wierzchołka pryzmatu poprzez żółty, zielony, zielono-niebieski
(cyan), niebieski do fioletu (magenta). Barw jest praktycznie nieskończenie wiele (na
komputerze ok. 16 mln w telewizorze plazmowym już miliardy) a tradycja mówi o 7 podstawowych (dołącza np. pomarańczowy) ale tylko
dlatego, że chodziło o podkreślenie znaczenia liczby 7); Podstawowe są tylko 3 barwy ale ponieważ mamy 2 systemy realizacji technicznych
(RGB i CMYk; w realizacji biologicznej oka ludzkiego jest tylko jeden system - RGB), w których są inne zestawy trójek takich więc można
by stwierdzić, że jest 6 kolorów podstawowych przy czym w sensie fizycznym czarny i biały to nie barwy podstawowe.
Widmo wiązki rozbieżnej światła białego dawane przez pryzmat nie jest czyste tzn
poszczególne wiązki barwne występujące dzięki rozszczepieniu zachodzą na siebie. Czyste
widmo uzyskał w 1814 r. niemiecki optyk Fraunhofer.
Światło słoneczne rzucił na wąską szczelinę. Na szczelinie światło ulega dyfrakcji –
szczelina staje się źródłem fali ‘walcowej’ (kulistej na obu końcach szczeliny). Wiązka
promieni staje się co prawda rozbieżna ale przed dotarciem do pryzmatu przechodzi przez
‘silną’ soczewkę (dodatnią, ‘skupiającą’), która czyni wiązkę zbieżną. Wiązka światła dałaby
(jasny) obraz szczeliny za pryzmatem gdyby on był tylko wyobrażalny. Dzięki pryzmatowi
zamiast jednego obrazu szczeliny uzyskamy na ekranie szereg graniczących ze sobą obrazów
– każdy w innej barwie (ułożonych oczywiście w kolejności barw jak u Newtona). Ilości i
szerokości takich jednobarwnych linii zależą od szerokości szczeliny (im mniejsza tym linie
węższe a więc mieści się ich w widmie więcej). Można by stwierdzić, ze dokonała się tu linearyzacja widma
ciągłego.
Potem Fraunhofer udoskonalił stanowisko ustawiając szczelinę w ognisku soczewki przez
co wiązki padające na pryzmat stają się równoległe do siebie. Wyższość tego urządzenia (które
praktycznie jest już pierwszym tzw. spektroskopem pryzmatycznym – jednym z
najważniejszych przyrządów fizycznych; Spektroskopy, a właściwie spektrometry są np. na
każdej sondzie kosmicznej i to zazwyczaj więcej niż jedna sztuka) polega na tym, ze wszystkie promienie
tej samej barwy padają na pryzmat pod tym samym kątem (Poprzednio, przy wiązce zbieżnej, promienie padają i wychodzą z pryzmatu pod
różnymi kątami).
Dodatkowo za pryzmatem była (druga) soczewka a ekran za nią był w odległości
jej ogniskowej.
Kierując spektroskop na światło słoneczne lub po prostu na dzienne niebo można zobaczyć
następny, trzeci rodzaj widma – widmo (Uwaga na literę p a nie b! Chociaż: absorbować)
tzw. absorpcyjne (poprzednie dwa – ciągłe i liniowe były tzw. emisyjnymi) w postaci
szeregu ciemnych linii na jasnym tle. Obserwacji takiej dokonał Fraunhofer (1814, rejestrując
także długości fal ciemnych linii). Linie takie nazwano liniami Fraunhofera. Będzie o nich
mowa dalej jeszcze.
W jeden przyrząd zmontowali stanowisko (ulepszone, z równoległą wiązką) Fraunhofera
Kirchhoff i Bunsen.
Szczelina i soczewka pierwsza spektrometru stanowią jeden podzespół zwany kolimatorem. Druga soczewka jest obiektywem innego
podzespołu zwanego lunetą obserwacyjną – jest w niej jeszcze tzw okular składający się z jeszcze jednej soczewki. Dodatkowo jest jeszcze
luneta pomocnicza (z pomocniczym źródłem światła) służąca do rzutowania na pryzmat podziałki cechowanej wg. długości fal światła. Ten
obraz podziałki jest nakładany na obraz widziany poprzez pryzmat. Jest tak dlatego, że obraz podziałki trafia do lunety obserwacyjnej po
ODBICIU się od pryzmatu (rzutowanie jest pod kątem ostrym do płaszczyzny pryzmatu od strony wierzchołka pryzmatu )
W 1859 zbudowanym przez siebie spektroskopem Bunsen i Kirchhoff wykryli widma
nieciągłe z jasnymi liniami – każda w innym kolorze - oddalonymi od siebie (emisyjne) par (i
gazów) pobudzonych do świecenia. Stwierdzili, że każdy pierwiastek ma
charakterystyczny tylko dla siebie zestaw linii określony przez położenie linii, ich kolory
i ilość. Tym samym dali początek b. ważnej dziś tzw. analizie widmowej. Np. metal można
odparować (wystarczy np. zaledwie 10-7 mg Na; Inaczej, aby potwierdzić brak błędu:
wystarczy 10-13 kg sodu, 100 biliardowych części kilograma!):
-wprowadzając go do płomienia
-wytworzyć iskrę elektryczną między dwoma elektrodami z tego metalu
-inaczej (np. w tzw. wyładowaniu łukowym…)
Np. widmo sodu składa się z jednej linii – żółtej; Ale gdy użyjemy lepszego spektrometru,
mającego lepszą tzw rozdzielczość, to zobaczymy dwie linie blisko siebie położone,
odpowiadające długościom fal różniących się od siebie zaledwie o 4 angsztremy (5896 5890).
Można powtórzyć – nie ma 2 takich samych zestawów linii pierwiastkowych. Jeśli tak się
może nawet początkowo wydawać to trzeba powiększyć obraz (np. 20 razy) albo zwiększyć
zdolność rozdzielczą spektroskopu poprzez wzięcie innego (np. nowszego konstrukcyjnie)
aby zwiększyć liczbę linii w widmie. Weźmy taki prosty, żeby nie określić: prostacki przykład. Wiemy, że mamy do
czynienia albo z (gazowym) wodorem albo z parami litu. Mamy tylko przykłady widm – kolorowe wkładki zamieszczane w podręcznikach,
nie zawierające dokładnych cechowań wg. długości fal. Zaczynamy badać (porównywać) ich widma, począwszy od lewej strony czyli od
strony czerwieni. Mniej więcej w tych samych miejscach napotykamy na linie czerwone więc musimy dalej porównywać. A dalej lit ma
tylko jeszcze linię pomarańczową a wodór – jeszcze dwie linie: zieloną i niebieską.
Istnieją specjalne atlasy linii widmowych do porównań. Jeśli na przypisanym jakiemuś
pierwiastkowi w widmie miejscu nie zaobserwujemy linii tzn., że takiego pierwiastka brak w
badanej substancji.
Analiza widmowa polega nie tylko na stwierdzaniu lub nie obecności danego pierwiastka w
badanej substancji (analiza jakościowa). Dodatkowo z natężenia linii można wywnioskować o
ilości danego pierwiastka (dokładność od kilku promili do 20%) – jest to wtedy analiza
ilościowa. Ilościową analizę przeprowadza się np. tylko na jednej linii – tej która się pojawia
pierwsza przy najmniejszych ilościach próbki.
Analiza widmowa może np. sprawdzić czy na ubraniu człowieka podejrzanego o terroryzm
są ślady prochu.
Widma liniowe mogą być jeszcze w stosunku do powyższych (emisyjnych) – w negatywie
jakby tzn. na tle widma ciągłego w tych miejscach w których były linie kolorowe będą linie
czarne (ciemne). Linie Fraunhofera były przykładem. Takie widma (absorpcyjne) powstają
wtedy gdy na drodze światła białego (o widmie ciągłym) znajduje się para (gaz) o
temperaturze niższej niż temperatura źródła. Rozpatrzmy 2 przykłady:
A Linie Fraunhofera
Fraunhofer najsilniejsze z czarnych linii (8 - 9) oznaczył kolejnymi literami alfabetu,
począwszy od strony czerwonej widma (do dziś korzysta się z jego oznaczeń):
Linie A i B są na tle ogólnie czerwonym
D – na żółtym
E – na żółtozielonym
F – na zielonym
G – na niebieskim
H – na fioletowym
Gdy chciano odróżnić od siebie blisko położone linie to stosuje się indeksy np. D1; H’; H’’
Jak dowiodły późniejsze badania światło słoneczne (widzialne) powstaje w warstwie
(przy)powierzchniowej (fotosferze) mającej temperaturę ok. 6000 oC Światło to przechodzi
jeszcze przez warstwę zewnętrzną atmosfery Słońca zwaną odwracającą (właśnie ze względu
na odwracanie widm: emisyjnego w absorpcyjne), które ma temperaturę niższą.
Potem już zrozumiano, że długości fal związane z ciemnymi liniami wskazują na
pierwiastki składowe Słońca (w warstwie powierzchniowej przynajmniej). Podczas analizy
widma słonecznego odkryto nieznany jeszcze pierwiastek – hel (nazwa słoneczna), bowiem
odkryto kilka linii, których w atlasach widm wzorców pierwiastkowych nie było.
Kilkadziesiąt (!) lat później okazało się, ze hel występuje i na Ziemi ale jest go mało (na
Słońcu z kolei jest go bardzo dużo!). (I) okazał się szlachetnym (gazem).
B Doświadczenie Kirchhoffa
Źródłem światła białego był łuk węglowy (dziś to mogłaby być żarówka bo spiralka
wolframowa ma temperaturę też przewyższającą znacznie temperaturę płomienia). Między
łukiem (sztuczną piorunem) a szczeliną spektroskopu był palnik z płomieniem zabarwionym
parami sodu. I Kirchhoff otrzymał jedną czarną linię w odpowiednim miejscu.
Gdy obserwujemy widma emisyjne to sytuacja z temperaturami jest odwrotna: temperatura
np. płomienia palnika jest znacznie wyższa niż temperatura tła przy rozproszonym świetle
słonecznym albo sztucznym
Zmieńmy doświadczenie Kirchhoffa tak aby stosować żarówkę, której natężenie światła
można zmieniać (stosując regulowane napięcie elektryczne np. z autotransformatora). Jeśli
żarówka będzie mieć słabe natężenie światła to zobaczymy żółtą linię sodu ( a gdy żarówka
świeci silnie to zobaczymy w tym miejscu linię ciemną)
Jeśli w zmienionym doświadczeniu Kirchhoffa zamiast oglądania wyznaczymy rozkład
natężeń za pomocą czułego np. termoelementu (zamieniającego energię cieplną na
elektryczną) to możemy się przekonać, że czerń linii absorpcyjnej jest właściwie
subiektywna, bo bezwzględna wartość natężenia w odpowiadającym jej minimum jest taka
sama jak w maksimum odpowiadającej linii emisyjnej!
Minimum powstało wskutek tego, że płomień sodowy świecąc sam pochłaniał
promieniowanie łuku (o długości fali odpowiadającej linii sodu) – Jest to wynikiem prawa
Kirchhoffa, z którego wynika, że jeśli pewne ciał (w jakiejś temperaturze) emituje
promieniowanie o określonej długości fali to musi ono również pochłaniać promieniowanie o
tej samej długości fali.. Bezwzględnie czarną linię mielibyśmy gdybyśmy do pochłaniania
użyli materii nie emitującej światła (widzialnego) a więc materii o odpowiednio niskiej
temperaturze.
2007-07-11