Updated 24.11.2010
Háskóli Íslands
Raunvísindadeild
EFN512M, Litrófsgreiningar sameinda og hvarfgangur efnahvarfa
EFN010F, Litrófsgreiningar sameinda og hvarfgangur efnahvarfa /
Molecular spectroscopy and reaction dynamics;
Atom and molecular emission spectroscopy /
Ljómunarróf atóma og sameinda
Íslenskt:
FRAMKVÆMD:
Vinnuhópar (dæmigert þriggja manna hópar) hanna, og framkvæma tilraunir viðkomandi
litrófsgreiningar á ljómun sameindabrota og framkvæma litrófsgreiningar gagna.
Takið mið af neðangreindri framkvæmdalýsingu.
Framkvæmd í VRI-121: Skráið geislun frá sameindum (sjá neðar) með hjálp
litrófsgreinisamstæðu: Ljósgreiða (Instruments Digikröm), ljósskynjari (EMI 9789-QB;
aflgjafi: Brandenburgh, model 475R), púlsasmali (heimasmíðaður) og gagnasöfnunartölva
(PC tölva ; Sjá t.d. Notkunarlýsingu fyrir skráningu á H-lampa: í: doc, pdf; e: doc. pdf og/eða
í bæklingi í VR121) (sjá tækjabæklinga [1]).
Hámarkið ljósmagn og/eða upplausn með hentugum (?) stillingum á raufum og/eða aflgjafa
fyrir ljósskynjara (ATH: spenna < 1200V).
Framkvæmið úrvinnslu gagna í gagnasöfnunarforritinu IGOR með hjálp viðeigandi
hugbúnaðar (sjá neðar).
A. Forvinna / frumþjálfun / Bylgjulengdarkvörðun skv. atómgeislun.
Skráið / skannið nákvæmlega kvikasilfuratóm-línu frá kvikasilfurlampa (frá PASCO
Scientific eða Spindler og Hoyer (Sjá t.d. Notkunarlýsingu fyrir skráningu á H-lampa: í: doc,
pdf; e: doc. pdf og/eða í bæklingi í VR121). Sjá töflur yfir atómlínur / orkuþrep Hg í
VR121[1] og / eða SGN5 (æf. 40 bls. 486) [2] og eða í NIST. Ef með þarf, notið frávik frá
viðurkenndu gildi til leiðréttingar / kvörðunar á bylgjulengdarskala / bylgjutöluskala við
úrvinnslu rófa (í IGOR).
B. Sameindageislun:
Veljið (í samráði við kennara) að framkvæma a), b) eða c):
Ljómun vegna rafeindatilfærslna stakeinda (C2(d->a), CH(A->X and B->X) and OH(A->X))
greinist í súrefnisríkum loga fyrir bruna á própangasi (sjá mynd 1 [5] og efni á vefnum [18]).
Mynd 1. Ljómunarróf frá súrefnisríkum gasloga.
Forvinna / tækjameðhöndlun: Mælið útgeislun fyrir einhverja fasta bylgjulengd að eigin vali
(sjá mynd 1) í þeim tilgangi að hámarka mæliútslag. Framkvæmið hámörkun m.t.t.:
i) -staðsetningar loga fyrir framan ljósinntak ljósgreiðunnar. Leggið áherslu á að skrá geislun
sem næst uppsprettu logans.
ii) - samsetningar logans. Notist við súrefnisríkar aðstæður / blána loga.
iii) -raufarvíddar. Notist við raufarvídd nálægt 50 m ( t.d. 30 - 70 m)
iv) - vinnuspennu fyrir ljósmargfaldara (PMT). Notist við 1 - 1,2 kV (ATH: spenna <
1200V); sjá mynd 2.
a) Í þessari tilraun verður titringróf C2(d->a) tilfærslunnar könnuð.
1. C2(d->a) titringsróf [5,6].
1.1 Skráið C2(d-a) rófið fyrir "miðlungs upplausn":



litrófsbil: 460 - 560 nm (sjá mynd 1)
skann hraða: 2-4 nm/mín
raufarvídd: 50 - 70 mm
1.2 greinið rófið
1.2.1 -með Birge Sponer nálgun [7-9] og ákvarðið titringsstuðla (e´ , e x e´,  e ´´ and  e
xe´´) og mismun á lágmarksrafeindaorku [5: sjá Hér og Hér]
1.2.2 -með útreikningum og samanburði á tilfærslulíkindum (þ.e. reiknið Franck Condon
stuðla) og ræðið hvernig ljómunarmerki er háð i) tilfærslulíkindum (FCF), ii) hitastigi og iii)
skynnæmni sem fall af bylgjulengd.
Mynd 2. Uppsetning tækjabúnaðar fyrir mælingu á ljómun frá brennara.
b) CH(B-X) ljómunarrófið frá própangasloga[5; sjá Hér og Hér]: Skráið snúningslögun rófs
vegna CH(B-X) rafeindatilfærslunnar yfir 385 - 405 nm. Sýnið fram á að viðkomandi róf
samanstendur nær einvörðungu af (0,0) tilfærslunni með því að famkvæma viðeigandi FCF
útreikninga (sjá IGOR hugbúnað í Bound->Bound 2.1 (iMAC) eða FCF 1 (PC(A og B)) og
framkvæmið i) “hefðbundna greiningu” og ii) hermun (hugbúnaður: UV-róf 2 eða ROT 1.0 )
á snúningslögun rófsins m.t.t. að ákvarða snúningsstuðla viðkomandi rafeindaástanda (sjá
NIST). ATH: nýtið ykkur litrófstoppa í P línuröð fyrir (v´ = 0,v´= 0) litrófsbandið til að
framkvæma “hefðbundna greiningu” með því að ákvarða snúningsstuðla út frá ferli yfir bil
milli toppa ((J´, J´´+1)) sem fall af J´´, sbr.  P ( J´´, J´´1) 2( B´B´´)J´´ 2B´´
c) CH(A-X) ljómunarrófið frá própangasloga [5; sjá Hér og Hér]: Skráið snúningslögun rófs
vegna CH(A-X) rafeindatilfærslunnar yfir 413 - 440 nm. Sýnið fram á að viðkomandi róf
samanstendur aðalega af rófum vegna titringstilfærslnanna (0,0), (1,1) og (2,2) við hátt
hitastig 2000 - 3000 K) með því að famkvæma viðeigandi FCF útreikninga (sjá IGOR
hugbúnað í Bound->Bound 2.1 (iMAC) eða FCF 1 (PC(A og B)) og framkvæmið i)
hefðbundna greiningu og ii) hermun (hugbúnaður: UV-róf 2 eða ROT 1.0 ) á snúningslögun
rófsins m.t.t. að ákvarða snúningsstuðla viðkomandi rafeindaástanda. i) ATH: nýtið ykkur t.d.
litrófstoppa í R línuröð fyrir (v´ = 0,v´= 0) litrófsbandið til að framkvæma “hefðbundna
greiningu” með því að ákvarða snúningsstuðla út frá ferli yfir bil milli toppa ((J´, J´´+1))
sem fall af J´´, sbr. jafna (7) í heimild [19]  R ( J´´, J´´1) 2( B´B´´)J´´ 4B´´2B´´
Sameinið titringsróf vegna ólíkra (v´v´´) tilfærslna í samræmi við lýsingu á vefnum til að fá
heildarróf . Er unnt að ákvarða hitastig logans samkvæmt þessari greiningu?
english:
Procedures:
Groups (3 people per group) will design, plan and perform experiments as well as analyse
data relevant to spectroscopic studies of molecules.
Take account of the following:
The experiment is performed in VRI-121: Measure emission from radicals (see below) by use
of a combination of the following equipment components; 1) Monochromator (Instruments
Digikröm), 2) photomultiplier (EMI 9789-QB), 3) Power supply (Brandenburgh, model
475R), 4) puls integrator (home made) and a 5) computer. See users instruction (for H atom
lamp) in: doc, pdf (icelandic) or doc. pdf (English). See manuals in [1].
Maximize the light intensity and/or the resolution by use of relevant(?) choice of slidt widths
and /or voltages from the power supply (NB!: make sure voltage < 1200V).
Perform analysis by use of IGOR (see below).
A. Initial preparation / Wavelength calibration by atom emission.
Measure / scan mercury atomic lines from a mercury atomic lamp from PASCO Scientific or
Spindler og Hoyer (See users instruction for measurements of a H-lamp: doc, pdf (Icelandic);
doc. pdf (English). See tables for atomic lines or energy levels in VRI-121 and/or in SGN5
(Exp. 40 p. 486) [2] and/or in NIST. If necessary make use of a deviation from literature
values for the wavelengths in your analysis (in IGOR).
B. Molecular emission:
Perform (in agreement with the teacher) one of (a), (b) or (c) (see below):
Emission due to energy transitions in radicals (C2(d->a), CH(A->X and B->X) and OH(A>X)) is to be seen from a flame of propane which burns with excess oxygen (see Fig. 1[5] and
on the web[18]).
Fig. 1. Emission from a flame of propane which burns with excess oxygen.
Preparation / handling of equipments: Measure emission for a chosen wavelength (see Fig.1)
in order to maximize signal. Perform the maximization with respect to
i)
ii)
iii)
iv)
- position of the flame in front of the entrance slit of the monochromator.
Emphasise to record the emission closest to the source of the flame.
– the flame shape and colour. Use excess oxygen / blue colour flame.
– slit width. Use slit width close to 50 m (say 30 - 70 m).
voltage for the photomultiplier tube (PMT). Use 1 - 1,2 kV (NB!: make sure that
the voltage is less than 1200 V); See Fig. 2.
a) In this experiment the vibrational spectrum due to the transition C2(d->a) will be studied.
1. C2(d->a) vibrational spectrum [5; see Here and Here] [6].
1.1 Record the C2(d-a) spectrum for medium high resolution:



spectral range: 460 - 560 nm (see Fig. 1)
scanning rate: 2-4 nm/mín
slit widths: 50 - 70 mm
1.2 Spectrum analysis:
1.2.1 –perform Birge Sponer analysis [7-9]
Determine vibrational parameters (e´ , e x e´,  e ´´ and  e xe´´) and Te [5; see Here and
Here]
1.2.2 –by calculating Franck Condon factors (FCF) and compare with peak intensities see
http://www.raunvis.hi.is/~agust/hugbkenn.htm . Discuss how the emission depends on
i) transition probabilities (FCF), ii) temperature and iii) detectors sensitivity as a function of
wavelength.
Fig 2. Experimental setup for measurements of flame emission.
b) CH(B-X) emission spectrum from a flame of propane which burns with excess oxygen[5;
see Here and Here]: Record the rotational structure due to the CH(B-X) transition for 385 405 nm. Show that the spectrum consists largely (almost explicitly(?)) of a (v´=0, v´´=0)
vibrational transition by performing Franck Condon factors (FCF) calculations (see Bound>Bound 2.1 / FCF 1 ). Perform classical spectral analysis as well as simulation calculations in
order to determine rotational spectroscopic parameters for the states involved (see NIST). ) In
order to perform “classical spectral analysis” make use of the P line serie in the (v´ = 0,v´= 0)
band by determining rotational constants from a plot of spacing between peaks ((J´, J´´+1))
as a function of J´´ (see ref. [5] ):  P ( J´´, J´´1) 2( B´B´´)J´´ 2B´´
c) CH(A-X) emission spectrum from a flame of propane which burns with excess oxygen [5;
see Here and Here]: Record the rotational structure due to the CH(A-X) transition for 413 440 nm. Show that the spectrum consists mainly of spectra due to the (v´=0,v´´=0),
(v´=1,v´´=1) og (v´=2,v´´=2) vibrational transitions for high temperature (2000 - 3000 K) by
performing Franck Condon factors (FCF) calculations (see Bound->Bound 2.1 / FCF 1 ).
Perform “classical spectral analysis” as well as simulation calculations in order to determine
rotational spectroscopic parameters for the states involved (see NIST). i) In order to perform
“classical spectral analysis” make, for example, use of the R line serie in the (v´ = 0,v´= 0)
band by determining rotational constants from a plot of spacing between peaks ((J´, J´´+1))
as a function of J´´ (see equation (7) in reference [19]):
 R ( J´´, J´´1) 2( B´B´´)J´´ 4B´´2B´´ . Combine subspectra (vibrational contributions ) as
described on the web. Can the temperature be determined?
The groups will present the results and interpretations within two weeks in oral
presentations (power point presentations) during lectures
References:
[1] Kvaran, Á., Ljómunarróf / samantekt í möppu - VR121.
[2] SGN5: Shoemaker, D. P.; Garland, C. W.; Nibler, J. W. Experiments in Physical
Chemistry; 5 ed.; McGraw-Hill Book Company: 1989; Vol. 5, pp 890.
[3] A5: Atkins, P. W. Physical Chemistry; 5 ed.; Oxford University Press: Oxford, 1995; Vol.
5, pp 1031.
[4] Moore, C. E. Atomic Energy Levels; NSRDS: 1971; Vol. 1, pp 309.
[5] Kvaran, Á.; Haraldsson, Á. H.; Sigfusson, T. I. "Spectroscopy of Flames: Luminescence
Spectra of Reactive Intermediates" J. Chem. Educ. 77, 1345-1347, (2000) og " Supplementary
material ".
[6] Hüber, K. P.; Herzberg, G. Constants of Diatomic Molecules; Van Nostrand-Reinhold:
New York, 1979.
[7] SGN6: Shoemaker, D. P.; Garland, C. W.; Nibler, J. W. Experiments in Physical
Chemistry; 6 ed.; McGraw-Hill: 1996; Vol. 6, pp 778.
[8] Sime, R. J. Physical Chemistry; Methods, Techniques, and Experiments; Saunders College
Publishing: 1990, pp 806.
[9] Matthews, G. P. Experimental Physical Chemistry; Oxford University Press: Oxford, 1985,
pp 495.
[10] A6: Atkins, P. W. Physical Chemistry; 6 ed.; Oxford University Press: Oxford, 1998;
Vol. 6, pp 1014.
[11] Banwell, C. N.; McCash, E. M. Fundamentals of Molecular Spectroscopy; 4 ed.1994;
Vol. 4, pp 308.
[12] skráning framkvæmd 12.2.98 (Á.K.)
[13] Tækjabæklingur: "The Digikröm", raufargler:
#1: ruling = 2400 g/mm, næmnisvið=180 - 680 nm / toppur= 250 nm,
#2: ruling = 1200 g/mm, næmnisvið=330 - 1500 nm / toppur= 500 nm,
#3: ruling = 600 g/mm, næmnisvið=800 - 3000 nm / toppur= 1200 nm,
[14] skýrsla B.B., 1999; afrit í vörslu Á.K.
[15] skýrsla Emelíu Eiríksdóttur, 2000; afrit í vörslu Á.K.
[16] skýrsla Pálmars Inga Guðnasonar, 2000; afrit í vörslu Á.K.
[17] SA4: "Physical Chemistry" eftir Robert J. Silbey & Robert A. Alberty, 4. útg., 2005.
[18] http://www.hi.is/~agust/kennsla/ee5/ppt/loginn.ppt
[19] Á. Kvaran, B.G. Waage and H. Wang, J. Chemical Physics, 113(5), 1755, (2000)