“Mirando al interior de un choque Fotón
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Laboratorio: Física Contemporánea Profesor Francisco Vera “Espectro de emisión luminosa” Leonardo Vergara R. Sergio Bustamante S. RESUMEN Cuando la radiación electromagnética actúa sobre un sistema de cargas eléctricas, como átomos, moléculas y núcleos, el sistema absorbe y emite energía de la onda. La absorción y la emisión de ondas electromagnéticas por parte de los átomos es un problema complicado que requiere extensos cálculos matemáticos y el uso de la mecánica cuántica, pero las ideas fundamentales son fáciles de entender. Los átomos, las moléculas y los núcleos normalmente se encuentran en el estado de menor energía o estado fundamental. Un átomo, molécula o núcleo puede excitarse a un estado de mayor energía que el estado fundamental a través de diferentes medios. Uno de ellos es mediante colisiones inelásticas en las que, por ejemplo, una partícula rápida (sea un electrón o un protón) choca con un átomo, una molécula o un núcleo, o cuando un neutrón es capturado por un núcleo, de modo que, el proyectil rápido transfiere parte de su energía cinética al blanco (átomo o núcleo). Cuando el proceso es resultado de la interacción eléctrica de ambos sistemas en colisión, se conoce como excitación de Coulomb. Un resultado importante es que los átomos emiten su exceso de energía en forma de radiación electromagnética. Por ejemplo si en un tubo que contiene vapor de mercurio a baja presiona producimos una descarga eléctrica aplicando una diferencia de potencial grande entre 2 electrodos colocados adecuadamente observaremos que el tubo brilla. La buscada explicación tiene relación con que los electrones emitidos por el electrodo negativo chocan inelástica mente con algunas de las moléculas del mercurio (átomos). Dejándolos en un estado excitado. La radiación observada es emitida por los átomos excitados mientras vuelven a su estado de menor energía o estado fundamental. La radiación emitida por cada sustancia está compuesta de frecuencias bien definidas y que son características de la sustancia. A dicho conjunto de frecuencias características de una sustancia se le denomina espectro de emisión de la sustancia. Vale la pena mencionar que dicho patrón es apreciable gracias al fenómeno de la difracción que se produce en las ondas electromagnéticas al pasar por una red de rendija HIPOTESIS La luz incandescente que emite una bombilla de luz debido al calentamiento de un filamento metálico, produce un espectro continuo de longitudes de onda. En contraste la luz producida por una descarga eléctrica en un gas enrarecido, de un solo elemento, contiene un número discreto y limitado de longitudes de onda. Los espectros atómicos están en su mayoría en las regiones visibles y ultravioletas y están compuestos de frecuencias suficientemente esparcidas que aparecen como líneas separadas en un espectroscopio. Los patrones de colores en un espectro de emisión son características únicas de cada elemento. Los colores individuales aparecen en forma de líneas brillantes debido a que la luz es separada en forma de espectro al pasar a través de una pequeña ranura iluminada por la fuente luminosa. MODELO PROPUESTO Una rejilla de difracción es una pieza de material transparente que está compuesta de un gran número de rendijas paralelas igualmente espaciadas. Para nuestro caso esa distancia “d” entre rendijas es 1666 nm. La luz, en forma de una onda plana, incide normal al plano de la rejilla. El patrón observado sobre la pantalla es el resultado de los efectos combinados de interferencia y difracción. Cada rendija produce difracción, y los rayos difractados interfieren entre sí para producir el patrón final. http://www.pucp.edu.pe/facultad/ingenieria/fisica/documentos/labfa4/ms_word/lab5.doc Luego, para alguna dirección arbitraria medida desde la horizontal donde inciden todas las longitudes de onda (pantalla), las ondas deben recorrer diferentes longitudes de camino óptico antes de llegar al punto P (ubicada en la pantalla). El camino recorrido por una longitud de onda se compensa con otra sumándole una diferencia de recorrido dada por la figura anterior. Esta diferencia de longitud de camino óptico será igual a: d sen. Si esta diferencia de longitud de camino óptico es igual a una longitud de onda o algún múltiplo entero de una longitud de onda, las ondas provenientes de todas las rendijas están en fase en P y se observa una línea brillante. Entonces, la condición para máximos en el patrón de interferencia al ángulo es: d sen = m El número entero “m” que aparece en la expresión anterior representa el orden de patrón de colores o longitudes de onda incidentes en la pantalla lo que se detalla gráficamente abajo La distribución de intensidades para una rejilla de difracción empleando una fuente monocromática se muestra en la figura abajo. Advierta lo nítido de los máximos principales y lo amplio de las áreas oscuras. Esto contrasta con la característica de franjas brillantes anchas del patrón de interferencia de doble rendija. DEFINICION DE VARIABLES m: orden del patrón de espectro : Longitud de onda d: distancia entre rendijas : Ángulo de desviación del haz PLANIFICACION DEL EXPERIMENTO Pondremos dos lámparas de algún material en particular (Mercurio y dióxido de carbono) excitaremos sus estados encendiendo las lámparas. Luego dichos rayos incandescentes los haremos pasar por un colimador con el fin de conseguir haces coherentes los mismos que luego concentraremos en un espejo, al que previamente se le ha localizado su distancia focal, para posteriormente hacerlos pasar por una red de rendijas y observar sus respectivas imágenes incidentales sobre una estructura montada a un transportador móvil que detecta el haz principal con un ángulo cero. DATOS Y ANÁLISIS Tabla 1 Vapor de Mercurio m Color Angulos medidos (º) Longitud de onda (nm) 1 Violeta 15 424,163 ± 7 -1 14,5 1 Azul 16 452,215 ± 7 -1 15,5 1 Verde 20 569,806 -1 20 1 Naranja 21 597,041 -1 21 Tabla 2 Dioxido de Carbono m Color 1 Violeta -1 1 Azul -1 1 Verde -1 1 Rojo -1 Angulos medidos (º) Longitud de onda (nm) 15 431,19 15 16,5 466,19 ± 7 16 19 542,4 19 22,5 630,82 ± 7 22 De acuerdo a las longitudes de ondas conseguidas en las tablas anteriores podemos compararlas con las extraidas de un texto especializado. Color Tabla 3 Longitudes (nm) Violeta 380 – 450 Azul Verde Amarillo Naranjo Rojo 450 – 490 490 – 560 560 – 590 590 – 630 630 – 760 Por otro lado provistos de observaciones más cuidadosas y trabajadas bajo condiciones aun más especiales y elaboradas, se sabe que para el espectro de vapor de mercurio se observan 5 líneas espectrales y para el Dióxido de Carbono son 6 líneas espectrales las que comparadas con la nuestra en Amstrong son como sigue. Tabla 4 Hg Violeta Verde Amarillo Rojo Texto Laboratorio Long.de onda (Å) Long.de onda (Å) 4500 4242 4600 4522 5000 5698 5050 5600 5900 5970 6100 6250 - CO2 Violeta Azul Verde Amarillo Rojo Texto Laboratorio Long.de onda (Å) Long.de onda (Å) 4150 4312 4250 4450 4550 4900 4662 5100 5424 5200 5300 5400 5650 6100 6308 6200 6300 6600 Una de las primeras cosas notorias que observamos fue la simetría en la distribución de los patrones de difracción, lo que aporta una evidencia en el fenómeno del mismo nombre y el cual estudiamos en clases. Otras de las observaciones notorias es que nuestras mediciones estuvieron dentro de los rangos de luz visible como primer logro, el segundo aspecto es que cada uno de los colores estuvo “muy adentro” del respectivo rango de colores según la Tabla 3, de espectro en metros, excepto por el color verde de la emisión de Mercurio, luego haremos mención del posible problema con ello. Además hemos incluido un dato que viene con los instrumentos y esta confeccionado por quienes diseñaron el aparato de medición y la correspondiente a la Tabla 4 en la que se puede ver la “cercanía” de los espectros esperados de ver. En cuanto a los errores; pues bien hay que decir que el transportador facilitado para la lectura no era precisamente un elemento de una precisión superior a cualquier otro instrumento fácilmente comprable en alguna librería del rubro. Es entonces una de las posibles razones del por qué en algunos casos como la notoria inexactitud del color verde en el espectro de mercurio no se ajusta a las tablas y del por qué el resto de los colores no se ajusta a la tabal del fabricante (tabla 4). El otro aspecto a considerar es que no siempre es fácilmente señalar cuando uno ve el color que uno dice ver, la imprecisión del ojo humano (el de los dos experimentadores en este caso) es una notable factor que también aporta al error. CONCLUSIONES Según los modelos propuestos de la conformación de la estructura atómica apuntan a determinar entre algunas cualidades que los mismos están conformados por rotundos espacios entre los participantes de la estructura atómica, es decir hay un gran vacío entre el núcleo y los electrones, lo que ayudaría a comprender de una manera mecanicista como es que los fotones interactúan espacialmente con el átomo, pero por otro lado en el respectivo espectro comprometido para cada tipo de elemento o moléculas podemos notar además una particularidad especial y esto es en la “actitud” que toma un electrón excitado para adoptar diferentes estados energéticos pero… no cualquiera, sin estado muy específicos. Tan específicos que cuando están en estados excitados solo emiten cierto tipo de fotones que hacen aparecer en el espectro de emisión un patrón longitudes de onda muy claros y específicos. BIBLIOGRAFIA *Alonso-Finn, Física *Robert Resnick, Conceptos de Relatividad y Teoría Cuántica PROTOCOLO DEL EXPERIMENTO Detalles del procedimiento experimental: El experimento consiste fundamentalmente en colocar alguna ampolleta de algún elemento en particular que para nuestro caso ocupamos vapor de Mercurio y Dióxido de carbono. Sus haces emitidos luego de encender las ampolletas era canalizados a través de un colimador para conseguir haces coherentes dispersos los mismos que luego eran reorientados gracias a la función que hacia un lente, dichos rayos resultantes se concentraban en un solo punto, esto es justo en la red de difracción. Para colocar dicho espejo fue necesario determinar su distancia focal para ubicarlo justo en ese lugar desde el colimador y desde la red de difracción (tal como lo demuestra la fotografía). A la salida de la red de difracción estaba la presencia de otra lente que aportaría en la concentración de los rayos emitidos para una lectura mas precisa de las mismas. Dicho espejo esta ubicado sobre una estructura móvil perpendicular a la red que puede efectuar movimientos alrededor del mismo y que se apoya con un transportador para poder detectar los ángulos al que corresponde cada haz incidente. Una vez ence3ndidad la bombilla se observa que los colores se difractan proyectándose en una superficie blanca sujeta también a la estructura móvil que contaba con un visor muy fino a través del cual se pudiera observar un color en especial. Al rotar el visor hasta el cada uno de los colores en los que se difractaba la luz, pudimos encontrar el ángulo característico para cada color, encontrar la longitud de onda para cada color.