Fysica 2 Practicum. Er bestaan drie types van spectra voor lichtbronnen: lijnen-, banden- en continue spectra.

Transcriptie

1 Fysica 2 Practicum Atoomspectroscopie 1. Theoretische uiteenzetting Wat hebben vuurwerk, lasers en neonverlichting gemeen? Ze zenden licht uit met mooie heldere kleuren. Dat doen ze doordat elektronen bij een overgang van een aangeslagen toestand naar de grondtoestand energie afgeven onder de vorm van zichtbaar licht. Elk element heeft een unieke elektronenstructuur. t energieverschil tussen de aangeslagen toestand en de grondtoestand bepaalt de golflengte, en dus de kleur, van het uitgezonden licht. Zichtbaar licht is slechts een klein deel van het elektromagnetisch spectrum dat zich uitstrekt van radiogolven (zeer grote golflengte, van 10 tot 1000 m), tot gammastraling (10-10 m tot m). X-stralen hebben golflengtes rond m. t zichtbaar gedeelte van het elektromagnetisch spectrum ligt in golflengte tussen 400 nm (blauw) en 700 nm (rood) Spectra Er bestaan drie types van spectra voor lichtbronnen: lijnen-, banden- en continue spectra. Een lijnenspectrum ontstaat bij de elektrische ontlading in een éénatomig gas. Wanneer geëxciteerde elektronen terugvallen naar een lager energieniveau wordt straling van een welbepaalde golflengte uitgezonden. We praten hier verder alleen over straling in het zichtbare gebied, licht dus. Indien er meerdere lijnen uitgezonden worden, kan men deze ontbinden door het licht eerst door een dispersief element te laten passeren (een prisma of een buigingsrooster). Hierdoor komen de verschillende golflengtes ruimtelijk naast mekaar te liggen. t aantal lijnen in een lijnenspectrum en de plaats waarop ze waargenomen worden, hangt af van het element dat licht uitzendt en van de manier waarop de gasatomen in aangeslagen toestand werden gebracht. Bandenspectra zijn lijnenspectra waarbij de lijnen zeer dicht bij mekaar liggen. Zij ontstaan in meeratomige gassen. De positie van de banden hangt af van de aard van het gas. De helderheid en de breedte hangen af van de druk en de temperatuur in het gas. Een continu spectrum ontstaat wanneer gloeiende vaste stoffen (zoals bvb. de gloeidraad van een wolfraamlamp) en gassen met hoge dichtheid licht uitzenden. t spectrum is Atoomspectroscopie 1

2 een kleurenband die varieert van rood tot violet. De intensiteitsverdeling van een continu spectrum hangt af van de aard van de stof en de temperatuur. Een continu spectrum kan men bvb. bekomen door wit licht door een prisma te laten passeren. Figuur 1 : dispersie van wit licht door een prisma Een emissiespectrum ontstaat als een atoom in aangeslagen toestand overgaat van een hogere naar een lagere energietoestand. t omgekeerde kan ook: een atoom kan naar een hogere energietoestand overgaan door elektromagnetische straling te absorberen. Dat kan alleen maar als de invallende straling dezelfde golflengte heeft als deze die voorkomen in het emissiespectrum. t geheel van deze absorptielijnen vormt het absorptiespectrum. Als we geen rekening houden met de terugstoot die een atoom of molecule ondervindt bij absorberen of uitzenden van straling, dan zijn beide spectra gelijk. In figuur 2 wordt absorptie (links) en spontane emissie schematisch voorgesteld. Figuur 2 : absorptie en emissie van elektromagnetische straling Atomaire spectra kan men maken door een poeder van metaal of een metaalverbinding in een vlam te houden. Dat is het principe waardoor de kleur in vuurwerk verkregen wordt. operverbindingen geven een groene kleur, kalium geeft purper, lithium rood. Een andere manier is een ontladingsboog te maken tussen twee elektrodes van een bepaald metaal. Atoomspectroscopie 2

3 Figuur 3 : vuurwerk 1.2. Spectraallampen Spectraallampen worden gebruikt in laboratoriumtoepassingen waar men een stabiele lichtbron nodig heeft met discrete spectraallijnen, d.w.z. welbepaalde golflengtes. Een spectraallamp bevat een ontladingsbuisje van kwartsglas waarin de metaaldamp (of een ander gas) zich bevindt. Over de 2 elektroden wordt een spanning aangelegd waardoor elektronen bewegen doorheen het gas. Gasatomen worden door botsingen met de elektronen in aangeslagen toestand gebracht. Wanneer de atomen terugvallen naar de grondtoestand zenden ze zichtbaar licht uit. Figuur 4 : Aanduiding van de belangrijkste elementen in een gasontladingslamp. Atoomspectroscopie 3

4 Bij één van de elektroden zit een startelektrode om het aansteken van de lamp te vergemakkelijken (zie volgende figuur). Als de lamp gestart zou worden door de spanning aan te leggen over de elektroden aan de uiteindes van het kwartsbuisje, zou in het nog koude gas de afstand tussen die elektroden te groot zijn om een vonk te laten ontstaan. Maar als de spanning aangelegd wordt tussen een elektrode aan het uiteinde en een hulpelektrode die er kortbij zit, kan er wel een vonk ontstaan. Zodra er vrije elektronen en ionen in het buisje aanwezig zijn, kan er gemakkelijk een ontladingsboog ontstaan tussen de elektroden aan beide uiteinden. De vonk ontstaat vrij snel na het starten van de lamp, omdat er tussen de eindelektroden geen elektrische weerstand is. De startelektrode daarentegen staat in serie met een zogenaamde startweerstand en voor de stroom is dat pad dus minder interessant. Een hogedruk kwikdamplamp die net uitgeschakeld is, kan niet meteen herstart worden. Dat kan pas als het verdampte kwik afgekoeld is en voldoende gecondenseerd om opnieuw een ontladingsboog tussen de eindelektroden te laten ontstaan. Als er nog teveel kwik in dampfase aanwezig is, zullen de kwikatomen het ontstaan van een boog bemoeilijken doordat de boog verstrooid wordt aan de kwikatomen. Figuur 5 : lamp Naast zichtbaar licht zendt een lamp ook veel UV-straling uit, die schadelijk is voor de ogen. ijk dus niet rechtstreeks in de lamp! In figuur 6 wordt schematisch voorgesteld hoe een continue spectrum en een emissie- en absorptiespectrum ontstaan. Atoomspectroscopie 4

5 Figuur 6 : ontstaan van continue, emissie- en absorptiespectra Tabel 1 : Golflengte (in nm) van de spectraallijnen van enkele chemische stoffen λ elem. λ elem. λ elem. λ elem. λ elem. Tl Tl Tl Atoomspectroscopie 5

6 Figuur 11 : het spectrum van zichtbaar licht Atoomspectroscopie 6

7 Figuur 12 : Lijnenspectra van enkele spectraallampen Atoomspectroscopie 7