SPECTROSCOPUL. TRASAREA CURBEI DE ETALONARE

I. ASPECTE TEORETICE

Se numeste spectru atomic totalitatea radiatiilor monocromatice (linii spectrale) emise sau absorbite de atomi izolati sau suficient de indepartati unul de altul pentru a nu se influenta reciproc. Fiecare radiatie componenta poate fi caracterizata prin lungimea ei de unda.

Un corp solid sau lichid adus la incandescenta prin ridicarea temperaturii emite radiatii care dau un spectru continuu, adica un spectru in care sunt prezentate radiatii de toate lungimile de unda, dintr-un domeniu larg de lungimi de unda.

Un corp in stare gazoasa cu structura moleculara (vapori alcatuiti din molecule) emite un spectru de bande, adica un spectru format din mai multe domenii relativ inguste separate intre ele prin domenii in care lipsesc radiatii.

Un corp in stare gazoasa dar cu structura atomica, emite un spectru de linii, adica un spectru alcatuit din domenii spectrale foarte inguste, despartite prin domenii in care lipsesc. Bandele, respectiv liniile dintr-un spectru caracterizeaza substanta emitatoare si cunoasterea lungimilor de unda ale acestor bande sau linii spectrale permite identificarea acelei substante.

Metoda de analiza bazata pe studiul spectrelor se numeste analiza spectrala.

Cu ajutorul spectroscopiei au putut fi verificate toate consecintele mecanicii cuantice. Primul lucru care s-a facut cu ajutorul datelor spectrale obtinute a fost incercarea de a sistematiza spectrul celui mai simplu element - hidrogenul.

Balmer a aratat ca lungimile de unda ale primelor patru linii din vizibil al hidrogenului pot fi reprezentate prin formula empirica:

(1)

unde poate lua valori intregi , iar constanta are valoarea .

Daca reprezentam frecventele celor patru linii in numere de unda relatia devine:

(2)

cu si este constanta Rydberg.

Toate seriile spectrale ale hidrogenului pot fi reprezentate prin formula generala:

(3)

in care

Studiindu-se mai atent distributia liniilor spectrale s-a constatat ca fiecare element, cu exceptia hidrogenului, poseda mai multe spectre independente unele de altele. Fiecare din spectre suprapuse corespund unui sistem propriu de termeni spectrali si , astfel ca

(4)

Liniile spectrale se supun ca dispozitie, unor reguli, numite legile seriilor, al caror prototip este relatia:

(5)

unde este termenul spectral fix sau limita seriei; este termenul spectral variabil sau curent iar este constanta Rydberg.

Ca exemplu dam in figura 1 spectrul energetic al unui atom hidrogenoid in comparatie cu cel al atomului de hidrogen.

Descompunerea intr-un spectru a unei radiatii se poate realiza pe baza fenomenelor de dispersie sau difractie.

Figura 1

Aparatele spectrale servesc pentru obtinerea spectrului radiatiei emise de un izvor, deci pentru descompunerea acestei radiatii complexe in radiatiile monocromatice componente.

Sistemul dispersiv cel mai utilizat este prisma optica.

Spectrul obtinut cu ajutorul unei prisme consta dintr-o succesiune de imagini monocromatice ale unei deschideri iluminate de sursa de radiatii.

Pentru a obtine un spectru pur trebuie ca deschiderea iluminata sa fie ingusta si paralela cu muchia prismei. Aceasta este fanta de intrare. Pentru ca aparatul spectral cu prisma sa functioneze ca un aparat stigmatic trebuie ca fanta de intrare sa se gaseasca in planul focal al unui sistem convergent, (colimatorul ) figura 2, astfel ca dupa trecerea prin obiectiv fasciculul de lumina emis de un punct al fantei sa se transforme intr-un fascicul paralel care strabate prisma. La iesirea din prisma, lumina intalneste un al doilea sistem convergent in al carui plan focal se formeaza imaginea reala monocromatica a fantei, care reprezinta linia spectrala.

In aceste conditii, astigmatismul este minim atunci cand prisma este asezata la deviatia minima in care caz unghiul de incidenta este egal cu unghiul de emergenta.

II. SPECTROSCOPUL CU PRISMA

Constructia si functionarea spectroscopului cu prisma se bazeaza pe fenomenul de dispersie al luminii. Un spectroscop cu prisma se compune, in principal (figura 2) din urmatoarele subansamble:

a). un colimator cu fanta () compus dintr-o fanta reglabila () si care poate culisa in tubul colimatorului, aceasta fanta este paralela cu latura prismei si este plasata in planul focal al lentilei (1), astfel incat realizeaza la iesirea din colimator cu fascicul de lumina de sectiune dreptunghiulara si paralela.

In aceste conditii toate razele emanand dintr-un acelasi punct al fantei si situate in acelasi plan normal la fanta cu acelasi unghi de atac i pe fata incidenta a prismei

b). prisma (p) a carei fata laterala este perpendiculara pe axa colimatorului () si deci este paralela cu fanta (). Pentru fiecare substanta in domeniul in care ea este transparenta, pentru radiatiile spectrului optic, odata cu cresterea lungimii de unda, indicele de refractie se micsoreaza, conform formulei lui Cauchy:

(6)

in care A, B si C sunt niste constante depinzand de materialul utilizat pentru confectionarea prismei.

In consecinta, indicele de refractie al radiatiilor violete este mai mare decat cel corespunzator radiatiilor rosii.

Dependenta dintre indicele de refractie si lungimea de unda se numeste dispersie normala a indicelui de refractie. Pentru confectionarea prismelor de spectroscop se foloseste o substanta cu dispersie mare dar si cu transparenta corespunzatoare. Prismele pentru descompunerea spectrului vizibil se confectioneaza din sticla optica (flint, crow usor sau greu). De exemplu flintul greu are urmatorii indici de refractie: pentru lumina rosie iar pentru lumina violet extrem

Pe baza acestei proprietati prisma va devia diferit fasciculele de lumina nemonocromatica, emise de sursa de lumina care in cazul experientei noastre este un tub luminiscent.

c). O luneta al carui obiectiv realizeaza in planul sau focal un spectrul real si al carui ocular , mobil in tubul lunetei, joaca rolul de lupa permitand dupa cum stim, ca observatorul sa vada imaginea virtuala a spectrului real.

d). Un colimator secund este prevazut cu o placa de sticla gradata cu o scara micrometrica atasata la un tub mobil scara fiind plasata in focarul lentilei colimatorului. Razele de lumina emise de o lampa electrica lumineaza scara, razele de lumina purtand imaginea scarei se reflecta pe fata emergenta a prismei, patrund in luneta in acelasi timp cu razele dispersate de prisma care vin de la fanta . Ele formeaza deci in acelasi plan cu spectrul real, o imagine a gradatiilor micrometrice ale scarii . Observand deci prin luneta, vom vedea simultan spectrul si gradatia micrometrica.

Un spectroscop este transformat intr-un spectrograf atunci cand substituim ocularul lunetei o camera fotografica cu o placa ce este plasata in planul focal, unde se formeaza imaginea reala a spectrului.

ETALONAREA SPECTROSCOPULUI

Principala operatie din cadrul unei analize spectrale consta in identificarea liniilor spectrale ale elementului analizat.

Pentru aceasta trebuie rezolvate in prealabil doua aspecte ale problemei si anume:

identificarea liniilor spectrale caracteristice ale elementelor studiate;

determinarea lungimilor de unda ale acestor linii.

In ceea ce priveste cel de-al doilea aspect al problemei, rezolvarea acestuia este legata de operatia de etalonare a aparatelor sau construirea curbei de dispersie a spectroscopului.

Orice aparat spectral destinat pentru observarea vizuala are o scara gradata (figura 2) care printr-un montaj optic adecvat apare suprapusa peste spectrul observat, in campul vizual al ocularului.

Figura 2

Gradarea scarii direct in lungimi de unda, cand acestea se numeste scara directa, se realizeaza constructiv foarte greu si pentru aceasta sunt rare spectroscoapele care sunt prevazute cu astfel de scari.

De obicei scarile aparatelor spectrale au caracterul scarii liniare micrometrice si convertirea diviziunilor ei in lungimi de unda, se face prin operatia de etalonare, respectiv construirea curbei de dispersie a aparatului. Pentru etalonarea scarii sunt suficiente 6-9 linii spectrale cunoscute pentru intreg domeniul spectrului vizibil.

Pentru a intelege cat mai bine procedeul de etalonare al spectroscopului luam ca exemplu unul din spectrele cele mai bogate in linii vizibile si in acelasi timp cu liniile cele mai clare si bine cunoscute din punct de vedere al lungimilor de unda, adica spectrul gazului inert neon (Ne).

Vom aseza in fata fantei tubul cu Ne si dupa conectarea instalatiei electronice, vom observa prin ocular spectrul Ne suprapus peste scara micrometrica . Vom identifica apoi pe baza datelor din anexa liniile spectrale ale Ne completand corespunzator un tablou. Intr-un sistem de axe de coordonate rectangular, vom nota (figura 2) pe abscise diviziunile scarii micrometrice observate in ocular iar pe ordonata lungimile de unda ale spectrului vizibil, adica de la la

Se reprezinta grafic in acest sistem functia.

Figura 3

Pentru a mari exactitatea si intinderea curbei de etalonare vom plasa apoi in fata fantei spectroscopului si alte tuburi luminiscente continand diferitele gaze sau lampi cu vapori ai unor metale ale caror spectre sunt cunoscute.

Datele obtinute ne vor servi la trasarea unei curbe de etalonare complete de care ne vom servi pentru identificarea altor elemente pe cale spectrala.

Curba de etalonare astfel obtinuta este caracteristica spectrografului utilizat si ea poate fi folosita cu deplin succes pentru identificarea elementelor necunoscute si usor excitabile.

Sa presupunem ca o substanta chimica necunoscuta ne da la spectroscopul etalonat, printre alte linii, o linie rosie clara la diviziunea 60. La aceasta diviziune, pe graficul de etalonare din figura 3 ducem verticala si in locul unde ea intretaie curba de etalonare, ducem o orizontala.

Aceasta taie axa coordonatelor, de exemplu la diviziunea . Din anexa constatam ca aceasta linie este caracteristica mercurului. Asadar substanta analizata constituie Hg. Siguranta identificarii mercurului o vom capata identificand si alte linii spectrale auxiliare ale mercurului date in anexa.

Metoda expusa mai sus poate fi aplicata si unor amestecuri sau combinatii chimice mai complicate in care se gasesc mai multe elemente. In acest caz, evident ca vom avea mai multe spectre caracteristice suprapuse si compararea, respectiv identificarea cu datele din anexa trebuie facuta corespunzator si cu multa atentie. Procedeul se numeste analiza spectrala calitativa.

O data curba de etalonare intocmita, este necesar ca reglajul spectroscopului, adica pozitia prismei sa nu mai fie modificat.

III. MODUL DE LUCRU

A. Trasarea curbei de etalonare a spectroscopului

Se alimenteaza sursa la .

Se aseaza lampa cu Hg in dreptul ocularului

Se regleaza fanta de intrare pana cand imaginea liniilor spectrale devine clara.

Se aduc liniile spectrale cu ajutorul micrometrului la intersectia firelor reticulare ale ocularului si se noteaza diviziunile de pe micrometru:

Cele mai intense linii care apar in spectrul vizibil al mercurului sunt:

Se traseaza curba de etalonare

B. Determinarea lungimilor de unda ale unor linii spectrale din spectrul hidrogenului

Se aseaza lampa de hidrogen in dreptul ocularului

Se vizualizeaza intreg spectrul hidrogenului prin manevrarea micrometrului si se duc in dreptul firelor reticulare liniile spectrale.

Se citesc diviziunile corespunzatoare pe micrometru

Se deduc apoi din curba de etalonare a spectrului lungimile de unda ale liniilor spectrale inregistrate ale hidrogenului.

Se utilizeaza aceste valori in relatia Balmer

unde pentru rosu

pentru galben

pentru verde

Se calculeaza valoarea constantei Rydberg, .