Verkleg eðlisefnafræði Ljómunarróf vetnisatómsins; Spectrum of the Hydrogen Atom

Size: px

Start display at page:

Download "Verkleg eðlisefnafræði Ljómunarróf vetnisatómsins; Spectrum of the Hydrogen Atom"

Melinda Summers
5 years ago
Views:

1 Háskóli Íslands Raunvísindadeild, Verkleg eðlisefnafræði Ljómunarróf vetnisatómsins; Spectrum of the Hydrogen Atom Hæfnisviðmið (e. Learning outcome) æfingarinnar: Að æfingu, úrvinnslu og skýrslugerð lokinni, eiga nemendur að hafa öðlast eftirgreinda viðbótarþekkingu, skilning og/eða færni, Fræðileg hæfni: Nemandinn hefur kynnst náið tengslum skammafræði og litrófsgreiningar, séð hvernig orka efnis fylgir reglubundinni hegðun háð skammtatölu og sannreynt hvernig unnt er að afla upplýsinga um eðliseiginleika og orkueiginleika efnis út frá litrófsgreiningu með hjálp skammtafræðinnar. Hagnýt færni og tækniþekking: Nemandinn hefur kynnst grundvallartækni við litrófsgreiningar, aðgreiningu ljóss háð bylgjulengd, ljósskynjun, gagnasöfnun með tölvu sem og takmörkunum umræddrar tækni. Hann hefur öðlast aukna færni og skilning varðandi nákvæmni og natni við mælingar og tilraunavinnu sem og við tölvugagnaúrvinnslu. Upplýsingalæsi og miðlun: Nemandinn hefur fengið aukna færni í að afla heimilda, nýta gagnabanka og við að miðla niðurstöðum. INNGANGUR / fræði Ljómunarróf vetnisatómsins: Ljómunarróf vetnisatómsins er eitt þekktasta litróf sem um getur. Rófið var kveikjan að líkani Bohrs yfir orkueiginleika atóma og renndi styrkum stoðum undir gildi skammta-fræðinnar við upphaf kenningarinnar á fyrri hluta síðustu aldar. Orku vetnisatómsins háð höfuðskammtatölunni n (E(n)) má auðkenna með líkingunni R E ( n) = ( J ); R = Rydberg fasti( J ) (1) 2 n 1

Litróf H atómsins er tilkomið vegna orkutilfærslna milli skammtaþrepa þar sem orka ljóseindar, sem stafar frá vetnislampa (E ljós =hν; h: Planck fasti, ν: tíðni ljóseindar) við útgeislun (eða sem

2 Litróf H atómsins er tilkomið vegna orkutilfærslna milli skammtaþrepa þar sem orka ljóseindar, sem stafar frá vetnislampa (E ljós =hν; h: Planck fasti, ν: tíðni ljóseindar) við útgeislun (eða sem gleypist í gleypnirófi) er jafngild orkumismuni milli skammtaþrepa n 1 og n 2 : = 1 1 E ljós hν = R 2 (2) n 2 2 n1 ~ E = hc(1/ λ ) = hc ~ ν ; ~ ν = E hc (3) ljós ljós / c: ljóshraði, ν ~ : bylgjutala ljóseindar í cm -1. Skv. (2) og (3) fæst ~ 1 1 ~ ~ 1 = R ; = R cm n2 n1 ν 2

3 Litrófslínur vegna tilfærslna úr skammtaþrepum, n 1 = 3,4,... í n 2 = 2 nefnast Balmer litrófslínur og koma fram á sýnilega litrófssviðinu. Með því að teikna upp ν ~ sem fall af n og finna hallatölu bestu beinu línu fyrir gagnapunktana er unnt að ákvarða Rydberg fastann ( R ~ ), líkt og lýst er í fylgigögnum / 3

4 Mælitækni: Ljómunarróf frá vetnislampa er skráð með litrófstækjasamstæðu í VRI-121: Mynd 1. Litrófstækjasamstæða til að skrá ljómunarróf. Tækjasamstæðan samanstendur af eftirtöldum tækjaeiningum (Mynd 1): 1) -Ljósgreiðu sem aðgreinir ljós eftir bylgjulengdum (sjá nánar neðar) 2) Ljómagnara sem umbreytir ljósorku ljóseinda í rafspennupúlsa. 3) Háspennugjafa fyrir ljósmagnara 4) Smala (og aflgjafa fyrir smala) sem safnar saman spennupúlsum og umbreytir merki í rafstraum. 5) Tölvu fyrir gagnasöfnun og greiningu mæligagna. 6) Stjórneiningu fyrir ljósgreiðu. 1) Ljósgreiða samanstendur af ljósbúnaði (speglum og raufargleri) sem þjóna þeim tilgangi að greiða í sundur ljós frá geislauppsprettu (lampa) háð bylgjulengd (sjá Mynd 2). 4

5 Mynd 2. Ljósgreiða / Digikrom 240 Ljósinu er í fyrstu beint inn í gegnum stillanlega inngangsrauf (e. entrance slit). Eftir speglanir (speglar M1 og C á Mynd 2) fellur ljósið á stillanlegt raufargler (e. grating / G) sem greiðir úr ljósinu háð bylgjulengd. Ljósið speglast svo enn frekar (speglar F og M2 á Mynd 2) uns það fer út um stillanlega útgangsrauf (e. exit slit) og fellur á ljósmagnara. Afstaða (halli) raufarglersins til ljósgeislans ræður því hvaða bylgjulengd ljóssins fellur á ljósmagnarann hverju sinni. Greinigæði mælisins ræðst af raufarvíddum inn- og útgangnsraufanna þannig að því minni sem raufarnar eru því betri er greinihæfnin (e. resolution). FRAMKVÆMD Mæling og gagnasöfnun: Ýtarlega lýsingu á framkvæmd mælinga með litrófstækjasamstæðunni er að finn á slóðinni Hér á eftir fylgir lauslegri lýsing á framkvæmd mælinga: I. Bylgjulengdarstöðlun með kvikasilfursatómgeislun Við aðkomu verður kveikt á tækjum (ljósgreiðu, aflgjafa fyrir Smala og aflgjafa f. ljósmagnara). Hafið slökkt á lampanum (best er að taka hann úr sambandi) og setjið kvikasilfurslampa frá kennara í lampastæðið. Haldið um sverari hluta glerrörsins ekki snerta granna ljósrörið eða málmhettuna á enda lampans. Grófstillið m.v. inngangsrauf með því að nota örvarnar ofan á ljósgreiðunni þannig að ljóssúla lampans standist á við raufina (Nánari fínstilling verður gerð síðar). 5

6 a) Grófathugun á kvikasilfuratómlínum / finna línur / hámarka merki / besta aðstæður Skráið róf fyrir kvikasilfuratómlínur á bilinu nm, 10 nm/min: Tölva: opna LabWiew forritið, Slow Data Acquisition á Desktop : Stillingar í tölvuforriti: Acquisition rate : 10 mælingar á sekúndu(meas./sec) Acquisition time : 60 s Snúið ykkur nú að stjórneiningu ljósgreiðu: GO TO : 430 (smá bið(?)) SCAN SPEED : 60 nm/min SCAN /λ 1 -λ 2 : Enter λ1= 430 enter Enter λ2= 440 enter Kveikið á lampa (rofi á hlið lampastæðis) ATH.: Ekki má snerta enda glerlampans (háspenna) og ekki horfa beint í útgeislun frá honum (útfjólublá geislun). Hefjið mælingu (skráningu rófs) Ýtið samtímis á ENTER á stjórneiningu ljósgreiðu og Start undir Start acquisition í tölvu. Vistið gögn í eigin möppu, t.d. skráarheiti Hg Flytjið núna stillingu á ljósgreiðu í nágrenni við stærsta Hg-toppinn (ca 436.4(?)) og haldið óbreyttri bylgjulengd : GO TO : (ca?) : Fínstillið afstöðu lampa og raufar með því að færa lampa til hægri og vinstri og fylgist með stærð merkisins á tölvuskjá (Það gæti þurft að breyta spennu aflgjafa þannig að merki falli innan 0 til -5V markanna en -5V er hámarksgildi) : Fínstillið spennuaflgjafa með tökkum og/eða stilliskrúfu, ATH: Gætið þess ávallt að spenna fari ekki yfir 1000 V). Finnið bylgjulengd fyrir hámark topps / stillið útslag á ca -4 til -5 Volt Stjórneining ljósgreiðu: Manual Færið bylgjulengd upp (takkar (7 eða) 8 (eða 9)) Færið bylgjulengd niður (takkar (1 eða) 2 (eða 3)) Þegar hámarksbylgjulengd er fundin er spenna aflgjafans stillt þannig að útslagið fari í -4 til -5 volt. Að hámörkun lokið: Manual b) Nú er komið að því að skrá heildarróf kvikasilfurslampa ( nm) Tölva / LabView: 10 mælingar á sek; 360 sek (6 mín); Stjórneining ljósgreiðu: GO TO : 380 (smá bið(?)) 6

7 SCAN SPEED : 50 nm/min SCAN / λ 1 -λ 2 : Enter λ1= 380 ENTER Enter λ2= 680 ENTER og síðan ENTER og Start samtímis eins og áður Vista skjal (sbr áður; t.d. skráarheiti Hg ). c) Nú skal flytja heildarróf í forritið IGOR til að ákvarða / kvarða bylgjulengdarskala: Í gagnaskránni er notast við kommur í tölum sem breyta þarf í punkta fyrir IGOR: Opnið skjalið ( Hg (?)) með WORD: Breytið kommum (,) í punkta (.) : Notið skipunina replace í WORD: Replace all Svertið talnadálka: Copy Opnið IGOR / Smellið á IGOR á desktop: Afritið / Paste í töflu: Skrifið Display wave1 í skipanadálk IGORs: Return: Kvörðun: -felst í því að umbreyta x-ás skala myndarinnar (heiltölugildum) í bylgjutölugildi (nm) með því að nota viðurkennd gildi yfir bylgjulengdir kvikasilfursatómanna (sbr. Figure 3 (bls. 486) í fylgigögnum): Það er framkvæmt með þeim hætti að x-ás gildum(pnt) einhverra tveggja vel aðgreindra og auðkenndra atómlína er breytt í viðurkennd gildi (sjá fylgigögn) og önnur x-ás gildi eru ákvörðuð út frá þeim með línulegri aðlögun (línulegu falli). Stór toppur í nánd við x-ás gildi 300 er stækkaður upp: Rammið toppinn in og veljið Expand. Ctrl I: Bendlar(A: og B:) birtast neðan við mynd. Dragið bendil A á topp og lesið x-ás gildi neðst. Metið x-ás gildi toppsins. Hér fæst x-ás gildi ca (= pnt1) sem á við Kvikasilfursatómtopp með bylgjulengdina λ = nm (lambda1) (sjá fylgigögn) Farið aftur í yfirlitsmynd rófsins (Ctrl A) og rammið inn og stækkið t.d. topp í nánd við x-ás gildi

8 Metið / finnið x-ás gildi toppsins. Hér fæst x-ásgildi ca (= pnt2) sem á við Kvikasilfursatómtopp með bylgjulengdina λ = nm (lamba2) (sjá fylgigögn) Bylgjulengdarskali (lamda) er núna ákvarðaður sem línulegt fall af fyrri x-ás gildum (pnt): lamda = a * pnt + b; a = hallatala og b = skurðpunktgildi beinnar línu og a = (lamda2 lamda1)/(pnt2-pnt2); b = lamda1- a * pnt1. Notið lamda = wave0 og pnt = x. Skrifið í skipanadálk IGORs Wave0 = (( )/( ))*x (( )/( ))*304.6 : Return Skrifið Display wave1 vs wave0 í skipanadálk IGORs. return Nú birtist mynd af kvikasilfuratómrófinu sem fall af bylgjulengd og bylgjulengdarskalinn, sem nýtist á eftir við skráningu H atóm rófsins ber heitið wave0 Vistið gagnaskrá, t.d. skráarheiti Rof Takið afrit af heildarrófunum ( nm) í IGOR og límið inn í Word-skjal til að nýta við skýrslugerðina. : II: H atómróf skráð: a) Grófathugun á vetnisatómlínum / finna línur / hámarka merki /besta aðstæður: Framkvæmið samsvarandi stillingarmælingar fyrir vetnisatómlínu í nánd við nm og þið gerðuð skv. I (a) hér ofar fyrir kvikasilfursatómlínuna í nánd við nm. b) Skráið heildarróf vetnislampa fyrir nm - í líkingu við það sem þið gerðuð skv. I (b) hér ofar fyrir kvikasilfuratómrófið. c) Flytjið heildarrófið í forritið IGOR til að teikna upp róf og ákvarða bylgjulengdir atómtoppa: Berið ykkur svipað að við flutning gagna í IGOR eins og þið gerðuð í I(c) hér ofar, - þó þannig að þið flytjið gögnin í ykkar IGOR-skrá (Rof pxp(?)) Teiknið upp dálkinn yfir H-atóm litrófslínurnar (wavei; i= 3 eða i >2(?)) sem fall af wave0: display wavei vs wave0 Ákvarðið bylgjulengdargildi H-atómlínu-toppana með bendlinum líkt og þið gerðuð fyrir kvikasilfurslínurnar í I(c). d) Takið afrit af heildarrófunum ( nm) í IGOR og límið inn í Word-skjal til að nýta við skýrslugerðina. 8

9 Hér gefur að líta H atóm litróf sem skráð var : Úrvinnsla / Analysis: 1) Ákvarðið Rydberg fasta ( R ~ ) og jónunarorku vetnisatómsins (sjá ofar og lýsingu í fylgigögnum / pdf) 2) Ákvarðið orkur skammtaþrepa (E(n)) sem rafeindatilfærslur greinast milli í vetnislitrófinu. 3) Berið niðurstöður saman við viðurkennd gildi (sjá handbækur og gagnabanka 2) ) Sjá myndir / see picture: Skýrslu ber að skila eigi síðar en tveimur vikum eftir framkvæmd æfingar. 9

10 Heimildir/references: 1) Physical chemistry for the chemical and biochemical sciences by Raymond Chang, (2000), chapter page ) Gagnabanki: 3) Experiments in Physical Chemistry by D.P. Shoemaker, C.W. Garland and J.W. Nibler, 5 th edition. Mc Graw Hill Ágúst Kvaran Edition

Ritstuldarvarnir. Sigurður Jónsson

Ritstuldarvarnir. Sigurður Jónsson Ritstuldarvarnir Sigurður Jónsson sigjons@hi.is Aðgangur að Turnitin 1. Beint í Turnitin á www.turnitin.com 2. Gegnum Moodle-námskeið Kennarar og nemendur halda sig í Moodleumhverfinu Fá frumleikaskýrslu