Čárové spektrum výbojek
Pokus číslo: 1838
Cíl pokusu
Cílem experimentu je ukázat čárovou povahu atomových spekter.
Teorie
Výbojka je uzavřená trubice naplněná plynem, jejíž vývody – elektrody – připojujeme ke zdroji vysokého napětí (jednotky až desítky kV). Průchodem elektrického proudu dochází buď k ionizaci atomů plynu, kdy jsou elektrony vytrhávány z elektronových obalů, nebo k jejich excitaci, kdy se elektrony v obalech přesouvají na vyšší energetické hladiny. Excitované elektrony jsou ale na vyšších hladinách nestabilní a deexcitují zpět na nižší hladiny, přičemž se uvolňuje energie \(\Delta E\) ve formě elektromagnetického záření. Vlnovou délku emitovaného záření (někdy se hovoří o vlnové délce spektrální čáry) můžeme určit vztahem
\[\lambda=\frac{hc}{\Delta E},\]kde \(h\) je Planckova konstanta a \(c\) rychlost světla ve vakuu/vzduchu. Protože v atomech plynu mohou probíhat deexcitace mezi různými dvojicemi hladin, je spektrum plynu tvořeno více spektrálními čarami = více vlnovými délkami, na kterých plyn vyzařuje.
Výsledná podoba spektra je pro každý chemický prvek (rozžhavený v plynné podobě) jedinečná, na čemž staví tzv. spektroskopie. Existují databáze spektrálních čar jednotlivých prvků udávající nejen jejich vlnovou délku, ale také intenzitu každé čáry (např. databáze NIST \(\rightarrow\) výběr prvku \(\rightarrow\) tlačítko Strong Lines). Spektrum neznámého zdroje − například vzdálené hvězdy − tak může být použito k jednoznačné identifikaci prvku či prvků, které se na hvězdě vyskytují a přispěly svými spektrálními čarami do jejího záření. Tímto způsobem bylo například v r. 1868 objeveno helium ve spektru slunečního záření dříve, než byla prokázána jeho přítomnost na Zemi.
Pomůcky
Spektrometr připojený k počítači, výbojové trubice s různými plyny.
Ve vzorovém experimentu byl používán emisní spektrofotometr Vernier VSP-EM spolu s optickým vláknem, které přivádí světlo k detektoru uvnitř čidla. Jako zdroje světla byly využity čtyři výbojové trubice Vernier, konkrétně ty obsahující vzduch, dusík, vodík a helium.
Postup
Postupně zaznamenejte spektra jednotlivých výbojek. Pokud je spektrum přesycené (některé jeho části jsou na svislé ose „uříznuty“), vzdalte optické vlákno od zdroje.
Vzorové výsledky
Grafy níže ukazují vzorově naměřená data.
Vodík (obr. 1): Ve spektru vodíku dominují ve viditelné oblasti spektrální čáry, které podle NIST − ve shodě s naším měřením − odpovídají vlnovým délkám 486 nm a 656 nm. Ještě výraznější čáry bychom naměřili v ultrafialové oblasti okolo 100 nm; tam ale rozsah námi použitého spektrometru nesahá.
Helium (obr. 2): V porovnání s vodíkem je helium složitější atom a vykazuje bohatší spektrum. Opět můžeme porovnat výsledky našeho měření s NIST a dostáváme velmi dobrou shodu − například nejvýraznější viditelná spektrální čára by měla podle databáze příslušet vlnové délce cca 588 nm.
Vzduch a dusík: Vzhledem k tomu, že vzduch je z téměř 80 % složen z dusíku, lze předpokládat, že spektra vzduchu a dusíku si budou podobná. Výsledek našeho experimentu toto očekávání potvrzuje − porovnání spekter je zachyceno na obr. 3.
Technické poznámky
Experiment je vhodné provádět při zatemnění, kdy nejsou jeho výsledky ovlivňovány jinými zdroji světla; není to ale nezbytně nutné.
Optické vlákno, které přivádí světlo do spektrometru, je silně směrové, tj. zachytává dominantně záření objektu, na který je přímo namířeno.
Vzorově naměřené grafy mají na svislé ose relativní jednotky intenzity s rozsahem od 0 do 1. Pokud je na některých vlnových délkách tento rozsah přesycen, je křivka v hodnotě 1 „uříznutá“, ačkoliv reálně by měla zasahovat výše. V takovém případě stačí optické vlákno vzdálit od výbojky.
Jak plyne z předchozího bodu, naměřené hodnoty jsou ovlivněny vzdáleností optického vlákna od výbojky. Z „výšky“ grafu tedy nelze dělat žádné kvantitativní porovnání mezi různými výbojkami.
Metodické poznámky
Studenti mohou v databázi spektrálních čar objevit i takové, které by měly být výrazné, ale v naměřeném spektru se objevují jen málo nebo vůbec. Tento rozpor je dán nízkou citlivostí použitého spektrometru na červeném i fialovém okraji viditelného spektra.
Je dobré mít na paměti, že námi naměřené závislosti jsou pouhým výsekem kompletního spektra, které pokračuje dál do ultrafialové i infračervené oblasti.
