Versuch P3: Spektroskopie

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1 Physikalisches Praktikum für Pharmazeuten Gruppennummer Name Vortestat Endtestat Name Versuch A. Vorbereitungsteil (VOR der Versuchsdurchführung lesen!) 1. Kurzbeschreibung In diesem Versuch werden die Grundlagen der Spektroskopie sowie der Aufbau und die Funktionsweise von Spektrometern erarbeitet. 1.1 Pharmazeutischer Kontext Die Spektroskopie ist in vielen Bereichen der Naturwissenschaft von großer Bedeutung, so auch in der Pharmazie: Insbesondere Verfahren der optischen Molekülspektroskopie, die eine kostengünstige und berührungslose Charakterisierung von Substanzen gewährleistet, kommen oft zum Einsatz. Der Wellenlängenbereich dieser Verfahren erstreckt sich von etwa 200 nm (UV-Bereich) bis nm (Infrarot), also auch über den Bereich des sichtbaren Lichts (ca. 400 bis 700 nm). In der pharmazeutischen Industrie müssen sowohl die Ausgangsmaterialien als auch die Produkte einer eingehenden und gründlichen Kontrolle unterzogen werden. ier spielen spektroskopische Methoden eine große Rolle. Das markierungsfreie Spektral Imaging, also ein Verfahren zur Abbildung chemischer Komponenten, gewinnt in der Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit an Bedeutung. Durch eine schnelle und kostengünstige Analyse rücken prozessbegleitende spektroskopische Prüfungen immer mehr in den Fokus der produzierenden Firmen. 1.2 Physikalischer Kontext Unter der Bezeichnung Spektroskopie versteht man Methoden, bei denen Strahlung, die von einer Probe ausgeht, nach ihrer Energie zerlegt wird. Zur Aufzeichnung optischer Spektren dienen Spektrometer, die es für nahezu alle Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, aber auch für Teilchen wie Elektronen oder Ionen gibt. Dabei kann die Anregung der Probe mit einer Strahlungsart erfolgen und dann eine andere Ausstrahlung der Probe untersucht werden. Zur Spektroskopie im weiteren Sinne gehören auch Methoden, bei denen nicht nach der Energie aufgelöst wird, sondern etwa nach der Masse von Teilchen (Massenspektrometrie). Spektroskopische Beobachtungen gaben und geben entscheidende Impulse für die Entwicklung der Quantenphysik, aber auch Aufschluss auf die chemische Struktur unbekannter Substanzen. Die Präzision, mit der Spektrallinien gemessen werden können, erlaubt die Bestimmung von Naturkonstanten, den Test von ypothesen über Naturgesetze bis hin zur Definition der Basiseinheiten Meter und Sekunde. Im folgenden Versuch werden Sie zwei verschiedene Varianten von Spektralapparaten kennenlernen und sowohl mit einem Prismen- als auch mit einem Gitterspektrometer arbeiten. Die Funktionsweise beider Spektrometerarten ist anhand des offenen und modularen Aufbaus leicht zu verstehen. Es wird 1

2 die Gasentladung von Wasserstoff und elium spektroskopiert, woraus sich fundamentale Grundsätze des Atomaufbaus ableiten lassen. 1.3 Grundbegriffe Spektrum elektromagnetischer Strahlung, sichtbarer Spektralbereich, ungefähre Wellenlängen, Zusammenhang von Quantenenergie und Frequenz; Ionisation (Grundzüge), Prismen- und Gitterspektrometer, Aufbau und Strahlengang; andhabung für die Spektralanalyse (Eichung, Vergleichsmessungen), Prismen- und Gittergeräte (vereinfachtes Schema) für ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht, uygens'sches Prinzip; Überlagerung zweier Wellenzüge, Voraussetzung für vollständige Auslöschung; Grundzüge der Interferenz am optischen Strichgitter, Atomaufbau aus Kern und ülle; Masse und Radius von Atomen und ihren Kernen (Größenordnung), Bohr'sches Atommodell Grundzüge, Zusammenhang diskreter Energiestufen in Atomen mit den beobachtbaren Spektren; Linienspektren bei Atomen; Lichtemission bei Elektronenübergängen (qualitativ) B. Ausführungsteil (WÄREND der Versuchsdurchführung lesen!) 2. Komponenten für den Versuchsaufbau Goniometer Beleuchtungsnetzteil für Skala und Fadenkreuz Netzgerät für Spektrallampen Wasserstoff- und elium-spektrallampe Glasprisma mit Prismentisch Optisches Gitter mit Tisch 3. Durchführung des Versuches Die nachfolgende Anleitung zur Durchführung des Versuches hat vier wesentliche Komponenten:? Fragen und Aufgabenstellungen sind am Anfang mit einem? gekennzeichnet. F Formeln und Regeln werden vorne mit einem F gekennzeichnet und durchnummeriert. Kursiv geschriebene Zeilen markiert mit einer and dienen als Anleitung zur Versuchsdurchführung. Kursiv geschriebene Zeilen, die mit gekennzeichnet sind, enthalten Tipps und Erklärungen, die in einzelnen Fällen hilfreich sein können. 3.1 Vorbereitung Machen Sie sich mit den einzelnen Komponenten des Versuchsaufbaus (2.) vertraut und kontrollieren Sie, dass alle Teile vorhanden sind. Sonnenlicht enthält alle Farben des sichtbaren Spektrums. Wir können diese Farbkomponenten sehen, wenn das Licht beispielsweise beim Durchstrahlen von Regentropfen unterschiedlich stark gebrochen wird und dadurch ein Regenbogen entsteht. Die Farben, die Sie dabei beobachten können, werden genaugenommen nicht durch die Lichtbrechung sichtbar, sondern dadurch, dass der Brechungsindex des Wassers (aber auch von anderen Materialien) von der Wellenlänge des Lichts und damit von der Farbe abhängt. Dieses nennt man Dispersion. Sicher kennen Sie auch Glasprismen und wissen bereits, dass man mit deren ilfe Licht in seine Spektralfarben zerlegen kann, was auch auf die Dispersion des Glases zurückzuführen ist. 2

3 Eine weitere Möglichkeit, Licht in Spektralfarben zu zerlegen, ist die Interferenz ein Phänomen, dass sich ausschließlich über die Wellennatur des Lichts erklären lässt. Christian uygens war der erste, der bereits 1678 eine überzeugende Wellentheorie des Lichts begründet hat. Nach seinen Überlegungen ist jeder Punkt einer Wellenfront Ausgangspunkt einer kugelförmigen Elementarwelle. Diese Elementarwellen setzen sich wiederum zu Wellenfronten zusammen. 3.2 Bauen Sie ein Gitterspektrometer auf. Als Lichtquelle wird im vorliegenden Versuch zunächst eine elium-spektrallampe verwendet. Das Prinzip eines Gitterspektrometers zeigt die Abb. 1. Stellen Sie die Lampe L direkt vor das Kollimatorrohr KO. Stellen Sie das Netzgerät auf den Betrieb e für die eliumlampe. Drücken Sie auf den Knopf, so dass die Lampe zündet. Als eigentliche Lichtquelle für das Spektrometer dient ein dünner Eintrittsspalt, durch den das Licht der e-lampe in das Spektrometer fällt. Sie können von schräg oben in das Kollimatorrohr hineinsehen und den Spalt beobachten. Auf diese Weise können Sie sicherstellen, dass das Licht der Lampe überhaupt durch den Spalt hindurchfallen kann. Die Breite des Spaltes können Sie mit ilfe der Rändelschraube unterhalb des Kollimatorrohres verstellen. Je breiter der Spalt ist, desto mehr Licht fällt in das Spektrometer, was zum Justieren oft günstig ist. Je schmaler der Spalt jedoch ist, desto besser lassen sich die einzelnen Spektralfarben auflösen, was zwar die elligkeit herabsetzt, aber die Genauigkeit der Messung erhöht. Verschieben Sie die Lampe so, dass der dünne, strichförmige Lichtschein der Lampe genau auf den Eintrittsspalt fällt. Öffnen Sie den Eintrittsspalt weit, so dass viel Licht in das Spektrometer eindringen kann. Abb. 1. Skizze des allgemeinen Versuchsaufbaus Setzen Sie nun das Gitter (GI) in das Spektrometer ein, so dass es wie in Abb. 1 genau senkrecht zum Kollimatorrohr steht. Sie können dazu die Schraube S2 etwas lösen, dann den Spektrometer-Teller drehen und anschließend den Teller mit S2 wieder fixieren. Nehmen Sie das Gitter wieder heraus. Schwenken Sie das Fernrohr so, dass Sie genau in das Kollimatorrohr hinein auf den Eintrittsspalt schauen. Stellen Sie das Fernrohr so ein, dass Sie sowohl das Licht des Spaltes als auch das Fadenkreuz im Okular scharf sehen können. Drehen Sie nun den Spalt so weit zu, 3

4 dass Sie eine dünne scharfe Linie sehen und bringen Sie das Fadenkreuz mit der Linie genau zur Deckung. Um den Winkel auch auf ein zehntel Grad ablesen zu können, gibt es eine sog. Nonius - Skala (N): Abb. 2: Nonius-Skala Die Stellen des Winkels vor dem Komma bekommen Sie, indem Sie grob den Winkel an dem linken Strich (rot) des Nonius ablesen (im Bsp.: 212 ). Die Stelle hinter dem Komma ermitteln Sie, indem Sie die Markierung der unteren Skala suchen, die gerade mit einer Markierung der oberen Skala zusammenfällt (grün). Damit ist die Stelle hinter dem Komma die 3, so dass der abzulesende Winkel 212,3 beträgt.? Lesen Sie den Winkel δ 0 in dieser Nullstellung ab. δ 0 =... Setzen Sie das Gitter wieder ein. Schauen Sie durch das Fernrohr und schwenken Sie es ein wenig nach links und rechts. Sie können ggf. den Spalt ein wenig öffnen, damit die Intensität der Linien stärker wird.? Beschreiben Sie, was Sie beobachten. Achten Sie dabei vor allem auf die Reihenfolge von Farben und Wiederholungen von Farbabfolgen Die e-spektrallampe sendet (unter anderem) folgende Spektrallinien aus: Farbe Intensität Wellenlänge λ Farbe Intensität Wellenlänge λ rot schwach 706,5 nm türkis mittel 492,2 nm rot stark 667,8 nm blau mittel 471,3 nm gelb stark 587,5 nm violett stark 447,1 nm grün stark 501,5 nm violett schwach 438,8 nm Tab. 1: Spektrallinien der e-lampe 4

5 3.3 Bestimmen Sie die Gitterkonstante Jede Wellenlänge λ wird unter bestimmten Winkeln α abgelenkt bzw. gebeugt. Zwischen λ und α besteht folgender Zusammenhang: F (1) n λ = g sinα Dabei sind: n: Beugungsordnung λ: Wellenlänge des Lichts (in m) g: Gitterkonstante (in m) α: Beugungswinkel (in ) Ein optisches Gitter ist eine Aneinanderreihung sehr vieler dünner Spaltöffnungen. Die Gitterkonstante g gibt den Abstand zweier benachbarter Spaltöffnungen an. Bringen Sie das Fernrohr wieder in die Nullstellung δ 0. Sie müssten in dieser Stellung wieder die helle Linie wie in Abschnitt 3.2 sehen. Schwenken Sie das Fernrohr langsam nach rechts, bis Sie mit dem Fadenkreuz an der ersten gelben e-linie (λ = 587,5 nm, vgl. Tab. 1) rechts von der Nullstellung angekommen sind. Dieses ist die 1. Beugungsordnung der gelben Linie (n = 1).? Lesen Sie den Winkel δ, bei dem Sie die gelbe e-linie im Fadenkreuz haben, ab und tragen Sie diesen in die 2. Spalte der unteren Tabelle in der Zeile n = 1 ein.? Bestimmen Sie den Beugungswinkel α, indem Sie von dem gemessenen Winkel δ die Nullstellung δ 0 abziehen. Tragen Sie diesen in die 3. Spalte der Tabelle ein. Beugungsordnung n abgelesener Winkel δ Beugungswinkel α = δ δ 0 der gelben e-linie (λ = 587,5 nm) Gitterkonstante g Schwenken Sie das Fernrohr langsam weiter nach rechts, bis Sie wieder eine gelbe Linie sehen. Dies ist die 2. Beugungsordnung der gelben e-linie.? Lesen Sie den Winkel δ der gelben e-linie ab und tragen Sie diesen in die 2. Spalte der Tabelle unter n = 2 ein. Ermitteln Sie auch wieder den Beugungswinkel α = δ δ 0, den Sie in die 3. Spalte der Tabelle eintragen.? Verfahren Sie so weiter, bis Sie die Winkel der 3., 4. und 5. Beugungsordnung der gelben e- Linie ermittelt haben.? Berechnen Sie aus den Winkeln α zu jeder Beugungsordnung n mit ilfe der Formel F (1) die Gitterkonstante g, die Sie in die 4. Spalte der Tabelle eintragen. 5

6 ? Ermitteln den Mittelwert aus den 5 Werten von g und geben Sie diesen in der Einheit µm an: Mittelwert der Gitterkonstanten g =... µm 3.4 Bestimmen Sie die Wellenlängen des Wasserstoff-Spektrums F (2) Schalten Sie am Netzgerät um auf für die Wasserstoff-Lampe, und stellen Sie diese anstelle der e-lampe vor das Kollimatorrohr. Bringen Sie das Fernrohr in die Nullstellung α 0. Zünden Sie durch Knopfdruck die Lampe und schauen Sie sich durch Schwenken des Fernrohres nach links und rechts das Spektrum der Wasserstoff-Lampe an. Das Spektrum der Wasserstoff-Lampe besteht aus drei Linien: rot, türkis und violett. Die violette Linie ist nur sehr schwach zu erkennen. Öffnen Sie ggf. den Spalt etwas weiter, um sie zu finden. Eine sehr genaue Winkelbestimmung erhält man, indem man zu einer bestimmten Farbe (= Wellenlänge) den Winkel δ 1 bestimmt, den man links von der Nullstellung abliest, und dann den Winkel δ 2 rechts von der Nullstellung bei derselben Farbe misst. Den Beugungswinkel α bekommt man aus Formel F (2). δ 2 δ α = 1 2? Bestimmen Sie die Beugungswinkel α aller drei Linien in der 1. Beugungsordnung. Tragen Sie die Winkel δ 1 und δ 2 in die entsprechenden Spalten zu den jeweiligen Farben in die Spalten 2 und 3 in die Tabelle ein. Farbe δ 1 δ 2 Beugungswinkel α Wellenlänge λ Ionisierungsenergie E 0 (in ev) rot türkis violett? Berechnen Sie mit ilfe der Formel F (1) zu allen drei Linien die Wellenlänge. Beachten Sie, dass Sie nur die 1. Beugungsordnung ausgemessen haben (n = 1)! Verwenden Sie die gemittelte Gitterkonstante g aus Abschnitt 3.3. Tragen Sie die Wellenlängen in die 5. Spalte der Tabelle ein. Lassen Sie die 6. Spalte der Tabelle zunächst leer. Sie wird erst in Abschnitt 3.7 gefüllt. 6

7 3.5 Bauen Sie ein Prismenspektrometer auf Nehmen Sie das Gitter aus dem Spektrometer und bauen Sie stattdessen das Prisma (P) ein. Stellen Sie die e-lampe wieder vor das Kollimatorrohr und schalten Sie am Netzgerät auf e. Achten Sie beim Einbau darauf, wie Licht durch ein Prisma hindurchläuft (s. Abb. 3)! Abb. 3: Strahlenverlauf beim Durchgang durch ein Prisma. Schauen Sie in der Anordnung wie in Abb. 3 durch das Fernrohr und suchen Sie die Linien der e-lampe durch Schwenken des Fernrohrs. Lösen Sie die Schraube S2 und drehen Sie nun den Spektrometer-Teller hin und her, bis Sie neben dem Spektrum auch eine Skala sehen, die durch ein beleuchtetes Dia im Skalenrohr (SR) über eine Fläche des Prismas in das Fernrohr (F) reflektiert wird. Wenn Sie die Skala suchen, lassen Sie das schon gefundene Spektrum nicht mehr aus dem Auge, d. h. drehen Sie bei dieser Justierung den Spektrometer-Teller und verfolgen Sie durch gleichzeitiges Schwenken des Fernrohres das Spektrum. Irgendwann schiebt sich die Skala über die Spektrallinien. Drehen Sie in einer Position, in der das Spektrum komplett über der Skala liegt, die Schraube S2 fest, so dass er sich beim Schwenken des Fernrohres nicht mehr bewegt. Die Spektrallinien dürfen sich gegenüber der eingeblendeten Skala nicht mehr verschieben.? Lesen Sie nun den Skalenwert zu jeder der sichtbaren e-linien ab und tragen Sie den Wert in die 4. Spalte der nachfolgenden Tabelle ein.? Stellen Sie den Zusammenhang von Skalenwert und Wellenlänge auf der nächsten Seite graphisch dar. Tragen Sie auf der Abszisse ( x-achse ) die Skalenwerte und auf der Ordinate ( y-achse ) die Wellenlänge auf. Teilen Sie sich die Achsen entsprechend Ihrer Messwerte ein und verwenden Sie mindestens eine halbe DIN A4-Seite für Ihr Diagramm. Legen Sie anschließend eine glatte Kurve durch die Punkte. Am besten verwenden Sie dazu ein Kurvenlineal. Sie haben nun mit dieser Kurve eine Kalibrierung Ihres Prismenspektrometers vorgenommen, d. h. Sie können damit Linien unbekannter Wellenlänge anhand der Lage auf der Skala eine Wellenlänge zuordnen. Dabei ist wichtig, dass sie an dem Spektrometer nichts mehr verändern. Sie dürfen lediglich eine neue Lampe vor das Kollimatorrohr stellen und das Fernrohr schwenken! 7

8 Farbe Intensität Wellenlänge λ Skalenwert rot schwach 706,5 nm rot stark 667,8 nm gelb stark 587,5 nm grün stark 501,5 nm türkis mittel 492,2 nm blau mittel 471,3 nm violett stark 447,1 nm violett schwach 438,8 nm Graph: Wellenlänge als Funktion der Skalenwerte (Kalibrierkurve) 8

9 3.6 Ermitteln Sie mit dem Prismenspektrometer die Wellenlängen des Wasserstoff-Spektrums Stellen Sie die Wasserstofflampe vor das Kollimatorrohr. Schalten Sie auch das Netzgerät entsprechend um.? Ermitteln Sie zu den drei Spektrallinien des Wasserstoffs die Skalenwerte und tragen Sie diese in die 2. Spalte der Tabelle ein. Farbe Skalenwert Wellenlänge λ rot türkis violett? Lesen Sie nun zu den einzelnen Skalenwerten die zugehörige Wellenlänge aus Ihrer Kalibrierkurve ab und tragen Sie sie in die 3. Spalte der Tabelle ein. 3.7 Bestimmen Sie die Ionisierungsenergie des Wasserstoffs Die Spektroskopie ist in der Pharmazie eine Methode, Substanzen anhand von charakteristischen Eigenschaften zu identifizieren. Eine dieser Eigenschaften ist die Ionisierungsenergie, die Sie mit ilfe Ihrer bisherigen Messungen leicht bestimmen können. In der Spektrallampe werden die Elektronen des Wasserstoffs bzw. des eliums auf höhere Energieniveaus angeregt. Diese fallen nach kurzer Zeit wieder auf tiefer liegende Niveaus zurück. Dabei wird Energie in Form von Licht mit ganz definierten Wellenlängen abgestrahlt, die vom Start- und Endniveau abhängen. Beim Wasserstoff ist nur das Licht mit bloßem Auge sichtbar, das von einem höheren Niveau auf die 2. Elektronenschale zurückfällt. Man nennt diese Serie nach ihrem Entdecker die Balmer-Serie. Die Spektrallinien, die man beim Wasserstoff sieht, kommen durch ein Zurückfallen von der m = 3., 4. oder 5. Schale auf die 2. Schale zustande. Die Wellenlänge hängt von dem angeregten Niveau m in folgender Weise ab: F (3) h c λ = E m 2 Dabei sind: h: Planck sches Wirkungsquantum (h = 6, Js) c: Lichtgeschwindigkeit (c = 2, m/s) λ: Wellenlänge des Lichts (Einheit: m) E 0 : Ionisierungsenergie des Wasserstoffs (Einheit: J) m: m-tes Energieniveau, von dem aus das Elektron auf die 2. Schale fällt? Bestimmen Sie für jeder der drei Spektrallinien des Wasserstoffs mit ilfe der Formel F (3) dessen Ionisierungsenergie. Entnehmen Sie die Wellenlängen der Spektralfarben dem Abschnitt 3.6, und tragen Sie die ermittelten Ionisierungsenergien (in der Einheit J) in die 3. Spalte der Tabelle ein. Dort finden Sie auch zu jeder Farbe das angeregte Niveau m. 9

10 Farbe Energieniveau m Ionisierungsenergie E 0 (in J) Ionisierungsenergie E 0 (in ev) rot 3 türkis 4 violett 5 In der Atomphysik wird die Einheit J wegen der Kleinheit der Werte nicht so häufig benutzt. Stattdessen verwendet man lieber die Einheit ev ( Elektronenvolt ). Beide Einheiten kann man mit der Formel F (4) leicht ineinander umrechnen: F (4) E (in J) (in ev) = 1, E -19 Der Wert 1, ist gerade der Betrag der Ladung eines Elektrons in Coulomb (C).? Ermitteln Sie die Ionisierungsenergie jeweils in der Einheit ev, und tragen Sie diese in die 4. Spalte der Tabelle ein.? Errechnen Sie genauso die Ionisierungsenergien (in ev) für die Wellenlängen der Wasserstofflinien, die Sie mit dem Gitterspektrometer in Abschnitt 3.4 gemessen haben. Tragen Sie diese Werte in die noch leere 6. Spalte der dortigen Tabelle ein.? Bilden Sie den Mittelwert Ihrer nunmehr 6 Werte für die Ionisierungsenergie des Wasserstoffs: E 0 =... ev 10