FYSA15 Laboration 3: Belysning, färger och spektra
Laborationshandledare: Villhelm Berg Malmborg (
[email protected]) Laborationshandledning senast reviderad av Göran Frank (2015) Laborationen äger rum i L218 och L225 med start klockan 8:30
Lärandemål Laborationen syftar till att ge ökad förståelse för en rad ljusrelaterade fenomen samt ge övning i att utföra och tolka experiment. Följande punkter beskriver kunskaper/färdigheter laboranten förväntas kunna inhämta/utveckla under laborationen. Teori: Förstå hur ljus kan tolkas som både våg eller partikel beroende på situationen. Förstå skillnaden mellan synligt ljus och andra typer av elektromagnetisk strålning samt kunna redogöra för hur IR, synligt ljus resp. UV kan påverka atomer och molekyler på olika sätt. Förstå det grundläggande sambandet mellan ljus och de färger människan uppfattar. Kunna förklara hur en enkel spektrometer fungerar principiellt. Förstå hur energiövergångar i atomer ger upphov till karakteristiska spektra och hur dessa kan användas för ämnesidentifikation. Förstå grundprinciperna för hur glödlampor, halogenlampor och lysrör fungerar. Ge exempel på för- och nackdelar för olika typer av brukslampor och argumentera för dessa utifrån tolkningar av tillhörande spektra. Resonera kring felkällor både före och efter utförandet av ett experiment. Praktik: Beskriva observerade experiment med hjälp av stråldiagram. Utifrån mätdata avgöra vilket matematiskt samband som styr ett observerat fenomen. Använda en spektrometer med tillhörande mjukvara för att ta upp enkla spektra. Mäta i och tolka grundämnesspektra. Presentera resultat och slutsatser från experiment på ett vetenskapligt sätt i form av en laborationsrapport.
Förberedelser
Läs labbhandledning Gör förberedelseuppgifterna Läs i Reistad och Stenström, Energi- och Miljöfysik 2015 (del 2): Kap. 1: från början t.o.m. avsnittet om gasurladdningslampor (sid. 5-23 i upplaga 2015) Kap. 2: avsnitten om optiska spektra och vätes spektrum (sid. 46-48 i uppl. 2015) Kap. 4: Avsnittet om växthuseffekten (sid. 118-120 i uppl. 2015)
Rapport Rapporten ska innehålla: Svar på förberedelseuppgifterna Innehåll enligt dokumentet ”Instruktion för rapportskrivande” (finns på kurshemsidan). Lägg tyngdpunkt på mätdata, resultat och diskussion. Ta med skisser från uppgifterna 1.1, 1.2 och 1.4 Skicka rapporten per e-post till:
[email protected] 2
Teoridel
Vad är ljus? Med ljus menas den typ av elektromagnetisk strålning våra ögon klarar av att detektera. Den elektromagnetiska strålningen, som förmedlar ett energiutbyte, saknar en entydig beskrivning. Ibland förklaras den bäst som en vågutbredning, ibland som en transport av masslösa partiklar, vilka kallas fotoner eller ljuskvanta. Kännetecknande för strålningen är dess konstanta hastighet, c = 300 000 km/s. Varje foton har energin E = h f, där h är den s k Plancks konstant (h = 6.6 10-34 Js) och f är den frekvens som motsvarande vågutbredning skulle ha. Strålningens frekvens är alltså direkt relaterad till dess energi. För att beskriva en viss typ av strålning brukar man därför ange dess frekvens. Alternativt kan man använda dess våglängd, som är direkt relaterad till frekvensen genom c = f λ, där λ är våglängden, och därmed även den relaterad direkt till energi. Från nedanstående figur 1 framgår att den synliga strålningen ungefär ligger mellan 390 nm och 770 nm (1 nm = 10-9 m).
Figur 1 Det elektromagnetiska spektrumet
3
Inom det synliga området kan strålningen delas upp i olika våglängdsgrupper, som representerar en viss färg, vilket tabellen nedan visar. Tabell 1: Våglängdsintervall för olika färger.
Våglängd/nm 380-420 420-495 495-566 566-589 589-627 627-780
Ljusfärg Violett Blå Grön Gul Orange Röd
Det ljus som når våra ögon innehåller oftast en blandning av olika våglängder. Vårt synsinne kan dock inte särskilja de olika färgerna, utan kombinerar dem till ett visst sammansatt färgintryck. Om alla våglängder blandas ger de ett intryck av vitt. Det är dessutom så att ögats känslighet varierar med våglängden, vilket visas i figur 2 nedan. Känsligheten är störst förhållandevis nära solens strålningsmaximum, som ligger på ungefär 555 nm.
Figur 2 Den relativa spektrala ögonkänslighetskurvan för dagseende
4
Svartkroppsstrålning Varma föremål utsänder strålning, vilket vi kan uppfattar som värme mot huden. När ett föremål placeras i en het ugn börjar det så småningom glöda rött, varefter det övergår till gult och sen vitt, allt eftersom det blir varmare. Föremålet absorberar energi tills det är i termisk jämvikt med ugnen. Eftersom det fortfarande absorberar värmestrålningen måste det då också utsända strålning. Man upptäckte redan på 1700-talet att olika föremål med samma temperatur glödde med samma färg. Dvs för en given temperatur är våglängdsfördelningen på den termiska strålningen lika för alla kroppar. Som referens använder vi en s k absolut svart kropp. Med det menas en kropp som absorberar all strålning den tar emot. (En sådan existerar inte i verkligheten.) Den svarta kroppen är då också en maximal värmestrålare. Figur 3 visar hur spektrumet för svartkroppsstrålningen varierar med temperaturen. Ett annat namn för svartkroppsstrålare är temperaturstrålare.
Figur 3 Spektrum från svartkroppsstrålningen för olika temperaturer
Ur studier av sådana spektra kan man härleda Wiens förskjutningslag, λmax T = k. Här är λmax den våglängd där strålningen har intensitetsmaximum för en viss temperatur T. Konstanten k = 2.9 ∙ 10-3 m K, (Wiens konstant). Ett begrepp som ibland förekommer är färgtemperatur. Med färgtemperaturen hos en kropp menar man den temperatur en temperatursstrålare skulle behöva ha för att få en spektral ljusfördelning som så nära som möjligt överensstämmer med kroppens. Förberedelseuppgift 1: Beräkna λmax för a) solen, T = 5800 K och b) för dig själv.
5
Absorptions- och emissionsspektra Enligt Bohrs atommodell består väte av en elektron som cirkulerar i vissa bestämda banor kring en proton. Varje bana svarar mot en viss energinivå hos atomen. Figur 4 visar energinivåerna hos väte. Tillförs tillräckligt mycket energi joniseras atomen, d.v.s. elektronen blir inte längre bunden till protonen. Excitation av atomen (ökning av energin från grundtillstånd till en högre energinivå) kan ske genom kollisioner med andra atomer eller med fotoner. Om en passerande foton har en energi som exakt motsvarar energiskillnaden mellan atomens befintliga energinivå och en högre nivå, är sannolikheten hög att fotonen absorberas och atomen övergår i det högre energitillståndet. Förloppet följs oftast av att atomen återgår till sitt grundtillstånd genom utsändandet av en foton med exakt samma energi, men nu i en godtycklig riktning. Detta är upphovet till s k absorptions- och emissionsspektra. Om man låter en ljusstråle av kontinuerligt våglängdsspektrum passera genom vätgas, kommer de våglängder som motsvarar energiövergångar hos väte att uppstå som mörka linjer i spektrumet från ljusstrålen. Om man i stället satsar på att excitera gasen och studera dess spektrum, syns endast de linjer som tidigare var mörka. Eftersom olika grundämnen har olika energinivåer, kan man genom att studera spektra få reda på t ex grundämnessammansättningar i avlägsna kosmiska objekt.
Figur 4 Energinivåerna hos väte, samt beskrivning av hur en foton exciterar en atom som sedan emitterar en ny foton identisk med den första.
Johannes Rydberg upptäckte att vätelinjerna kunde beskrivas av en enkel formel: 1 1 1 = 𝑅𝑅 ∙ � 2 − 2 � 𝜆𝜆 𝑛𝑛1 𝑛𝑛2
−1 där n1
