Optische Absorption von Molekülen. 4. Februar 2008

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1 Optische Absorption von Molekülen 4. Februar 2008

2 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung 3 2 Grundlagen Allgemeines zur Spektroskopie Spezielle Theorie für zweiatomige Moleküle Theorie für die Auswertung Versuchsaufbau 5 4 Versuchsdurchführung Justierung Durchführung einer Messung Eichung des Wellenlängenzählers Wellenlängen-Filter Quecksilberdampflampe Absorption von Brom Absorption von Iod Auswertung Zuordnung und Literaturvergleich Berechnung der Molekülkonstanten Fragen 10 2

3 1 Aufgabenstellung Die Spektroskopie von Molekülen mit Hilfe von optischer Absorption stellt eine bewährte Methode zur Bestimmung wichtiger stoffspezifischer Parameter dar. In diesem Versuch sollen Absorptionsspektren von gasförmigen Brom und Iod aufgenommen werden, wobei das Spektrum des Iod-Moleküls genauer analysiert werden soll. Die Bandkanten können dabei verschiedenen Elektronenübergängen zugeordnet werden. Aus diesen Ergebnissen können die Schwingungsfrequenzen, die Anharmonizitätskonstante sowie die Dissoziationsenergie des Iod-Moleküls bestimmt werden. 3

4 2 Grundlagen 2.1 Allgemeines zur Spektroskopie Rotationsspektroskopie Dipolübergang: Auswahlregeln Molekülspektroskopie Raman-Spektroskopie 2.2 Spezielle Theorie für zweiatomige Moleküle Harmonisches Potential Morse-Potential Boltzmann-Statistik Franck-Condon-Prinzip 2.3 Theorie für die Auswertung Übergänge Grundzustand, angeregter Zustand Bestimmung der Molekülkonstanten 4

5 3 Versuchsaufbau Strahlengang im skizzierten Versuchsaufbau Beugung am Gitter Aufbau eines Gittermonochromators Strahlengang im Monochromator Eigenschaften eines Monochromators Auflösungsvermögen Dispersion Intensität Funktionsweise eines Photomultipliers spektrale Empfindlichkeit Linearität 5

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7 4 Versuchsdurchführung 4.1 Justierung Die optische Bank soll so justiert werden, dass sie parallel zur direkten Verbindungslinie zwischen Eingangs- und Ausgangsspalt des Monochromators liegt. Welche Fehler können bei ungenauer Justierung auftreten? 4.2 Durchführung einer Messung Zunächst loggt sich ein Praktikumsteilnehmer mit seinem Login am Messcomputer ein, um die Daten auf dem persönlichen Laufwerk speichern zu können. Der Gittermonochromator wird über einen Schrittmotor gesteuert, welcher wiederum über einen Mikrokontroller an die serielle Schnittstelle des Messcomputers angeschlossen ist. Über die Schrittmotorsteuerung muss vor Beginn jeder Messung das Zählwerk exakt auf 7500 Angström gefahren werden. Danach wird über einen Hebel die Steuerung auf extern gestellt, um dem Messcomputer die automatische Steuerung des Gittermonochromators zu ermöglichen. Jetzt wird das Messprogramm MOLABS 1000/4000 auf dem Messcomputer gestartet. Die vier Schaltflächen links oben werden nacheinander ohne Eile angeklickt, um den Mikrocontroller zu initialisieren. Die Messung wird dann mit der Schaltfläche links unten gestartet. Nachdem die Messung durchgelaufen ist, können die aufgenommenen Daten im dat-format abgespeichert werden und mit z.b. Origin bearbeitet werden. 4.3 Eichung des Wellenlängenzählers Der eingebaute Schrittmotor im Gittermonochromator erlaubt eine automatisierte Messung der transmittierten Intensität jeweils für eine bestimmte Wellenlänge über einen Bereich von 2000 Angström. Die Anzeige weist jedoch eine konstante Verschiebung zur tatsächlichen durchgelassenen Wellenlänge auf. Dieser Offset soll mit zwei Messungen bestimmt werden. 7

8 4.3.1 Wellenlängen-Filter Der orange schimmernde Filter soll zwischen Lampe und Gittermonochromator in den Strahlengang eingebaut werden. Dieser Filter lässt nur Licht mit der exakt definierten Wellenlänge von 5820 Angström durch. Aus dem resultierenden Peak der Messung kann die Differenz zwischen gemessener und tatsächlicher Wellenlänge bestimmt werden Quecksilberdampflampe Die Halogen-Quarz-Lampe wird nun durch eine Quecksilberdampflampe als Lichtquelle ersetzt. Diese hat ein Spektrum mit Linien im blauen bis roten Spektralbereich (z.b. gelbe Hg-Doppellinie). Aus desem Offset der Linien und des zuvor mit Hilfe des Filters bestimmten Offsets wird ein Mittelwert bestimmt, welcher für die Auswertung der nachfolgenden Messungen benötigt wird. Hg-Linien: 4358,35 Å-> blau 4916,04 Å-> blau/grün 5460,74 Å-> grün 5769,6 Å-> gelb Hg-Doppellinie 5790,7 Å-> gelb Hg-Doppellinie 6234 Å-> rot!!zu beachten: Bei der Hg-Lampe nicht in den Strahl sehen.!! Außerdem sollte man nicht zu hohe Intensitäten (Spalt-Breite) verwenden, da sonst der Photomultiplier kaputt gehen könnte und außerdem die Fehlertoleranz steigt. 4.4 Absorption von Brom Die Quecksilberdampflampe wird durch die Halogen-Quarz-Lampe ersetzt, da wieder das gesamte Spektrum im sichtbaren Bereich für die Messung verwendet wird. In die Absorptionszelle wird die Küvette mit dem orangenen gasförmigen Br 2 vorsichtig eingesetzt. Das gesamte Absorptionsspektrum des Br 2 -Moleküls wird nun mit einer Auflösung von 1000 Messpunkten bestimmt. 4.5 Absorption von Iod Zunächst soll die Brom-Küvette durch die violette Iod-Küvette ersetzt werden. Die Heizspule wird eingeschaltet und auf 32 Grad Celsius eingestellt. Das Spektrum wird nun mit einer Auflösung von 4000 Messpunkten aufgenommen. Dies wird mit den Temperaturen 55 und 75 Grad Celsius wiederholt. 8

9 5 Auswertung 5.1 Zuordnung und Literaturvergleich Die spektralen Lagen der Absorptionsbanden sollen mit den angegebenen Literaturwerten verglichen werden und die beiden Übergangsserien in die Schwingungsniveaus 0 und 1 des Grundzustands bestimmt werden. 5.2 Berechnung der Molekülkonstanten Aus den Übergangsserien können nun die Schwingungsfrequenzen und Anharmonizitätskonstanten des Iod im angeregten Zustand bestimmt werden. Daraus wird die Dissoziationsenergie des Iods im angeregten Zustand bestimmt. Temperaturverhalten Fehlerbetrachtung Zusammenfassung 9

10 6 Fragen 1. Welche Spektren gibt es? Spektralbereich? 2. Was versteht man unter Ramanstreuung? 3. Welche chemische Bindungsarten gibt es? 4. Wie funktioniert ein Photomultiplier, Monochromator? 5. Was besagt das Franck-Condon-Prinzip? 6. Welche Art von Molekülen haben kein Dipolmoment und somit auch kein Absorptions- Rotationsspektrum? 7. Werden in diesem Versuch die Absorptions- oder die Emissionsspektren gemessen? Warum? 8. Wie sieht ein Morse-Potential aus? Was ist die Dissoziationsenergie? Woher kommt die Abweichung des Morse-Potential von harmonischem Oszillator? 9. Was versteht man unter einer Rotation und einer Schwingung? 10. Wie berechnet man die Molekülkonstanten (->Dissoziationsenergie), welche Näherung braucht man? 11. Auswahlregeln? Woher kommen diese? 12. Machen Sie sich Gedanken über die Übergänge: Rotation starrer Rotator -> Eigenwerte nicht starrer Rotator -> Eigenewerte Schwingung harmonische Näherung -> EW anharmonische Näherung -> EW elektronische -> EW 10

11 Literaturverzeichnis [1] Haken Wolf, Molekül und Quantentheorie, 84 UM 3000 H 155, Kap.8; 9.1; 9.2; ; 12; ; 14 [2] Hellwege, Einführung in die Physik der Moleküle, 84 UM 3000 H 477 [3] Herzberg, Spectra of diamotic Molecules, 84 VE 5740 H 582 [4] Kohlrausch, Praktikum der Physik [5] Bandenspektren in: Handbuch der Experimentalphysik, 84 UC ,1, S.378ff, [6] Spectroscopic Data, 84 UM 1070 [7] Molekular Spectra, 84 UM 3500 P 361 [7] Kuhn, Zeitschrift für Physik, 39 (1926) S.77 (Literaturwerte) (Physik-Bibliothek) [8a] R. Mecke, Zeitschrift für Physik 7., 1921, S (Physik-Bib.) [8b] R. Mecke, Ann. d. Physik 71 (1923) S.104 [9] Kuhn, Zeitschrift für Physik, 39 (1926) S.77 (Literaturwerte) [10] E.A. Moelwyn-Hughes, Physikalische Chemie (Literaturwerte), 84 VE 5010 M693 Literaturwerte für die Auswertung des Jod-Spektrums: Folgende Übergänge sollen als Anhaltspunkte dienen: Übergänge v =0: von v =17: von v =25: von v =27: von v =29: Übergänge v =1: von v =11: von v =14: von v =17: von v =25: von v =26: Übergänge v = 2 : von v =15: von v =18: von v =21: Die Dissoziationsenergie: D e =4379cm 1 x e =0,0065; ω e =127,1 cm 1 11