Исследованы спектральные характеристики различных источников света и растворов веществ. Практическая значимость исследования состоит в изготовлении самодельного спектрофотометра для измерения интенсивности спектра.
СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» регламентирует требования по освещенности и по спектральной характеристике источников света оптимальные для жизнедеятельности человека в разных помещениях и под разные нужды, важные для сохранения здоровья зрения человека. Поэтому актуальной является задача выбора оптимального освещения помещения. Для этого необходимо учесть спектральные характеристики источника света. К тому же спектральные характеристики источников света играют важную роль в различных областях науки и техники. Измерение поглощения водных растворов веществ в фармацевтической и химической промышленности дает возможность определить концентрацию вещества в растворе и контролировать процессы смешивания и реакции.
Цель: исследовать спектральные характеристики различных источников света и растворов веществ.
Объект исследования: видимое излучение — электромагнитные волны.
Предмет исследования: спектры излучения различных источников света и спектры поглощения различных веществ.
Гипотеза: с помощью волновых свойств света можно сконструировать самодельные оптические схемы — спектроскопы и спектрофотометры, которые позволят исследовать спектральные характеристики источников света и растворов веществ.
Методы исследования: изучение и анализ литературы, физический эксперимент, наблюдение, измерение, спектральный анализ вещества.
Спектроскоп состоит из стеклянной призмы или из дифракционной решетки, имеются две трубы: коллиматор со щелью и окуляр. Окуляр состоит из собирающей линзы. Щель коллиматора находится на фокусе линзы коллиматора. В призме (или решетке) единый световой пучок разлагается на несколько цветных параллельных пучков. Изображение спектра можно наблюдать на экране и фотографировать на фотопленку. Сильно нагретое тело подносят к щели коллиматора и наблюдают спектр через окуляр.
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа. 1. Непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин волн, это сплошная разноцветная полоска. Непрерывные спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно сильно нагреть тело. 2. Линейчатые спектры. Например, если внести в пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли. Увидим, что на фоне едва различимого непрерывного спектра вспыхнет яркая желтая линия, этот факт показывает, что в пламени присутствуют пары натрия. Такие спектры называют линейчатыми. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. 3. Полосатые спектры. Полосатый спектр состоит из отдельный полос, разделенных темными промежутками. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Спектры поглощения: все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны. Поглощение света веществом зависит от длины волны.
Спектральный анализ — это метод определения химического состава вещества по его спектру. Благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить, из каких элементов состоит тело. В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров.
Эксперимент № 1 «Спектры излучения лампы накаливания, неоновой лампы, светодиодной лампы». А) Спектры излучения лампы накаливания. Оборудование: экран со щелью и шкалой, рейка с брусками, упор, лампа накаливания, соединительные провода, дифракционная решетка 100 штрихов на 1 мм, источник постоянного тока. Ход работы: лампу накаливания соединительными проводами подключаем к источнику тока и центрируем установку так, чтобы на шкале экрана по обе стороны от щели наблюдались симметричные спектральные полосы разного порядка. Наблюдаем непрерывные спектры от синего до красного цвета. Следует отметить, что первый порядок спектров самый интенсивный. Б) Спектры излучения неоновой лампы. Оборудование: экран со щелью и шкалой, рейка с брусками, упор, лампа неоновая, соединительные провода, дифракционная решетка 100 штрихов на 1 мм, источник постоянного тока. Ход работы: неоновую лампу соединительными проводами подключаем к источнику тока и центрируем установку так, чтобы на шкале экрана по обе стороны от щели наблюдались симметричные спектральные полосы. В) Спектры излучения светодиодной лампы. Оборудование: экран со щелью и шкалой, рейка с брусками, упор, лампа светодиодная, соединительные провода, дифракционная решетка 100 штрихов на 1 мм, источник постоянного тока. Ход работы: светодиодную лампу соединительными проводами подключаем к источнику тока и центрируем установку так, чтобы на шкале экрана по обе стороны от щели наблюдались симметричные спектральные полосы. Выводы: Мы увидели основные цвета полученного непрерывного сплошного спектра в следующем порядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Данный спектр непрерывен. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. Таким образом, мы выяснили, что нагретое до высокой температуры вещество, находящееся в твердом состоянии, дает сплошной спектр. В спектре неона преобладают такие цвета: красный, оранжевый и желтый. Мы можем сделать и такой вывод, что линейчатые спектры дают все вещества в газообразном состоянии. Излучают атомы, не связанные друг с другом, изолированные атомы излучают свет определенной длины волны.
Эксперимент № 2 « Спектры поглощения прозрачных и полупрозрачных растворов». Оборудование: лампа накаливания, кюветы, растворы сахара, риса и мыльный раствор, дифракционная решетка, щель. В установке между лампой накаливания и дифракционной решетки ставим кювету с раствором. Наблюдаем через решетку спектры поглощения растворов. Выводы: во всех опытах наблюдается эффект Тиндаля — рассеивание света (мутность), кроме раствора с сахаром. Соответственно необходимо предварительная подготовка образцов перед измерением поглощения, иначе значительная часть света рассеется, а не поглотится. Расчет длины световой волны по спектрам по формуле дифракционной решетки d sin φ=ⱪλ, где d — период решетки 1мм/100, ⱪ — порядок спектра (2), λ — длина волны. Выразили длину волны. λ= d sin φ/ⱪ. Из построения прямоугольного треугольника легко найти sin φ.
- λ 1 = d sin φ/ⱪ, ⱪ=2, с=√а²+b²=0,3368 м; sin φ=0,1039; λ 1 =0,0000005195 м
- λ 2 = d sin φ/ⱪ, ⱪ=2; с=√а²+b²=0,3225 м; sin φ=0,124; λ 2 =0,000000620м. Ответы: λ1=519 нм; λ2=620 нм. Ответы сравнили с табличными данными.
Эксперимент № 3 Интенсивность излучения по показаниям милливольтметра. Цель работы: измерить интенсивность спектра в условных единицах милливольтах (мВ). Экспериментальная установка: самодельный спектрофотометр — коробка (внутреннюю поверхность покрасили в черный цвет), настольная лампа накаливания мощностью 70 Вт, стеклянная призма, самодельные щели, фотоэлемент, милливольтметр. Ход эксперимента: источник света поместить в коробку направили свет на щель. Свет, проходя через щель, падает на призму. На стене напротив наблюдается непрерывный спектр, состоящий из 7 цветов. Фотоэлемент помещали по очереди на цвета спектра. Записывали показание милливольтметра. Построили график зависимости интенсивности излучения от длины волны.
|
Цвет спектра, нм |
Интенсивность спектра, мВ |
|
Красный, ~ 650 |
34 |
|
Оранжевый ~ 600 |
30 |
|
Желтый ~ 580 |
23 |
|
Зеленый ~ 555 |
15 |
|
Голубой ~ 525 |
14 |
|
Синий ~ 495 |
12 |
|
Фиолетовый ~ 430 |
8 |
Эксперимент № 4 Спектральный анализ чаги (лечебного гриба) в лаборатории ФТИ СВФУ им.М. К. Аммосова. Цель работы: провести спектральный анализ чаги. Оборудование: чага, дистиллированная вода, скальпель, ступка, фильтровальная бумага, кюветы, спектрофотометр Lambda 750 S. Ход эксперимента: скальпелем взяли образец гриба. Измельчили образец с помощью ступки и добавили в 40 мл воды. Раствор отфильтровали через фильтровальную бумагу. Раствор и дистиллированную воду разлили по кюветам и поместили в спектрофотометр. Спектрофотометр вывел график зависимости поглощения от длины волны. ВЫВОДЫ: Поглощение воды примерно равно нулю. Поглощение раствора чаги с уменьшением длины волны спектра увеличивается и доходит 1.3 отн. ед. По цвету спектра можно определить число электронов в атоме, т. е. химический состав вещества.
Литература:
- Мякишев Г. Я. и др. Учебник физики, 11 класс. — М.: Просвещение, 2011.
- Свердлова О. В. Электронные спектры в органической химии. Л.:Химия,1985 г.
- Физика для школьников. Издательство: ООО «Школьная пресса» № № 3,1–64; 1,1–48
- Якимова Л. С. Учебно-методическое пособие. Метод УФ-спектроскопии и его применение в органической и физической химии. Казань,2015.
