Capítulo 5 : Espectroscopía

ESPECTROSCOPÍA
5.1.
INTRODUCCIÓN
Las fuentes luminosas, ya referidas en la práctica de Óptica Geométrica, pueden ser
divididas en dos grandes grupos: fuentes térmicas, en las que la emisión luminosa
depende de sus altas temperaturas (bombillo incandescente normal), y fuentes de
descargas eléctricas a través de gases (lámpara de neón).
Cuando se hace incidir luz blanca sobre un material absorbente, la radiación transmitida
produce lo que se denomina espectro de absorción del material. Si, por el contrario, la
luz proviene directamente de un material, siendo éste el constituyente de la fuente
luminosa, se produce lo que se llama espectro de emisión. Tanto los espectros de
emisión como los de absorción pueden ser de líneas, de bandas o continuos,
dependiendo de los posibles estados electrónicos de los elementos constituyentes. Por
lo general, los espectros de gases son discontinuos, de líneas o bandas, mientras que
los líquidos y sólidos muestran espectros continuos.
5.2.
TIPOS DE ESPECTROS
5.2.a.
ESPECTROS DE LÍNEA
Cuando la luz que proviene de una rendija incide sobre un elemento dispersante, como
un prisma o una red de difracción, y se observa sobre una pantalla un conjunto bien
definido de líneas de diferentes colores, se dice que el espectro observado es de líneas.
Cada una de las líneas es la imagen de la rendija producida por la desviación de las
diferentes longitudes de onda que componen el haz policromático de luz.
En el espectro de algunos elementos las líneas aparecen formando series, en las que el
espaciado e intensidades de las líneas cambia de una manera regular.
86
Un ejemplo típico es el espectro del hidrógeno, cuya porción visible está dada por la
llamada serie de Balmer mostrada en el diagrama de niveles de energía del hidrógeno
(subsección 1.3.a.). En el espectro de emisión del hidrógeno puede observarse
fácilmente las líneas Hα (roja), Hβ (verde-azul), Hγ (violeta), las que obedecen una
ecuación empírica de la forma:
1 
1
= RH  − 
λ
 2 ² n² 
1
n = 3 ,4 ,5 ,.....
La constante RH = 1.0967x107 m-1 se llama constante de Rydberg. El parámetro n = 3
corresponde a la transición que produce Hα (656.5 nm; Roja), n = 4 corresponde a
Hβ (486.3 nm; Verde - Azul) y n = 5 a Hγ (434.2 nm; Violeta)
5.2.b.
ESPECTROS DE BANDA
Los espectros de bandas tienen una apariencia característica que les permite
diferenciarse de los de línea y correspondes a espectros moleculares o de
combinaciones de varios átomos. Usualmente se observan varias bandas, cada una de
las cuales muestra uno de sus lados muy bien definido que se llama cabeza de banda.
Las bandas están formadas, en general, por líneas muy finas y próximas, y en algunos
casos, se pueden superponer parcialmente.
5.2.c.
ESPECTROS CONTINUOS
Los espectros continuos corresponden, generalmente, a espectros de líquidos o sólidos.
Las fuentes mas comunes son sólidos a altas temperaturas.
5.3.
GONIÓMETRO (ESPECTRÓMETRO)
El GONIÓMETRO es un instrumento que se usa para la medida de los ángulos de la
desviación de rayos luminosos debida a diferentes fenómenos ópticos como reflexión,
refracción o difracción. El instrumento toma el nombre de ESPECTRÓMETRO cuando
tiene incorporado algún elemento dispersante que separe las diferentes longitudes de
onda. Si además se dispone de un sistema para registro fotográfico de los espectros, el
aparato se llama ESPECTRÓGRAFO.
87
Un goniómetro tiene tres partes principales: un colimador (C), un anteojo (A) y una
plataforma graduada (P).
El colimador, constituido por una rendija R de ancho variable y una lente convergente C,
produce un haz paralelo y está fijo a la base del instrumento. El anteojo, constituido por
una lente L que enfoca el haz sobre el ojo O, y la plataforma graduada P, pueden girar
libremente de manera independiente alrededor del centro de la plataforma P’. Sobre
esta última, que también puede girar libremente, se fija el elemento dispersante.
Para aumentar la precisión de la lectura de los ángulos se dispone de un vernier circular
fijo con el anteojo. Dos tornillos permiten bloquear la plataforma y el anteojo a la base,
separada o simultáneamente. Un tercer tornillo permite el desplazamiento fino del
anteojo, si éste ha sido previamente bloqueado a la base.
88
Como todo instrumento óptico, los distintos componentes del goniómetro deben estar
correctamente alineados de manera que el haz incidente y el emergente se mantengan
en el mismo plano horizontal al girar la plataforma y/o el anteojo. Así mismo, las lentes
deben estar enfocadas. El procedimiento de enfoque se detalla al comienzo de la parte
experimental.
5.3.a.
ALINEACIÓN DE LA PLATINA
El instrumento debe ser alineado al comienzo de la práctica, a continuación detallamos
el procedimiento que permite la alineación correcta de todo el sistema.
La platina es un disco que existe sobre la plataforma, y debe estar colocada
paralelamente al plano que determinan los ejes ópticos del colimador y el anteojo
cuando no están enfrentados.
Los ejes ópticos del colimador y del anteojo están previamente ajustados para que
determinen un plano perpendicular al eje de rotación del instrumento, por lo tanto, no
deben moverse los tornillos de ajuste que sirven a ese efecto.
La platina tiene tres tornillos de ajuste, que son los
únicos que pueden moverse:
Se coloca el prisma sobre la platina con una de sus
caras (AB) perpendicular a la línea que une los tornillos
1 y 2. Colocando el anteojo en una posición cualquiera,
se bloquea la base y se gira la plataforma hasta ver la
imagen de la rendija por reflexión en la cara AB.
Ajustando los tornillos 1 y 2 se hace que el centro del
retículo coincida con el punto medio de dicha imagen.
Se gira entonces la base hasta que la reflexión se produzca en otra de las caras y
nuevamente se lleva a coincidir el centro del retículo con el punto medio de la imagen,
ajustando exclusivamente el otro tornillo 3.
89
Estas operaciones se repiten hasta que en cualquier posición en la cual se produzca la
reflexión, la imagen de la ranura del colimador aparezca bien centrada. Ello indicará que
las caras del prisma son perpendiculares al plano definido por los ejes ópticos del
colimador y el anteojo y, en consecuencia, la plataforma habrá quedado paralela a
dicho plano.
5.4.
ESPECTROSCOPIO
Un espectroscopio es un instrumento para observación específica de espectros y está
constituido por una apertura de entrada, un sistema óptico y un dispositivo dispersante.
La apertura de entrada, usualmente una rendija rectangular de ancho variable, se
ilumina con la fuente a analizar: las imágenes de la apertura, formadas por el sistema,
para las diferentes longitudes de onda, dan las líneas o rayas espectrales. El sistema
óptico de lentes y espejos permite el enfoque adecuado de los diferentes haces. El
dispositivo dispersante, prisma o red de difracción, hace que las diferentes longitudes
de onda que lo atraviesan salgan según ángulos diferentes.
Una característica importante de cualquier espectroscopio es su dispersión, cantidad
que determina la capacidad del instrumento para separar las diferentes longitudes de
onda enfocándolas en diferentes posiciones del plano focal correspondiente. La
dispersión puede ser expresada como dispersión angular (diferencia de ángulos) o
dispersión lineal (diferencia de posiciones en el plano focal).
Otra cantidad importante es el poder de resolución, definido como R = λ/∆
λ/∆λ, siendo ∆λ
la diferencia de longitudes de onda entre dos líneas cercanas del espectro que puedan
distinguirse en forma separada, es decir, líneas que tengan una separación angular tal
que el máximo principal de una línea coincida con el primer mínimo de la otra.
90
En el caso de una red de difracción puede demostrarse que su poder de resolución está
dado por la expresión R = N n, donde N es el número total de rayas de la red
iluminadas por el haz y n es el orden del espectro observado. El poder de resolución R
no debe confundirse con la dispersión D
En el laboratorio se dispone de espectroscopios del tipo Bunsen-Kirchhoff, tal como el
que se muestra a continuación:
En este tipo de espectroscopio el prisma se encuentra encerrado a fin de evitar la
iluminación por luces extrañas. La luz procedente de la apertura de entrada es
91
dispersada y enfocada en el telescopio. Simultáneamente una escala graduada
linealmente, iluminada convenientemente, es reflejada por una de las caras del prisma
también sobre el telescopio, superponiéndose con las líneas espectrales, facilitando así
una asignación cuantitativa para la posición de cada línea espectral. Una calibración de
la escala graduada usando una fuente de longitudes de onda conocidas permite
entonces la medición de las líneas de otro espectro.
Manual de instrucciones del Espectrómetro Marca Euromex
Modelo SP.5275 Holanda (www.euromex.com)
Traducido por Luis V Cortina (04/2008)
Índice
1 Construcción del Espectrómetro
2 Preparación del espectrómetro para su uso
3 Trabajo con el espectrómetro
4 Mantenimiento y limpieza
92
10
1
17
7
4
3
5
2
11
9
8
14
16
15
13
12
6
19
18
20
1 Construcción Del Espectrómetro
A continuación se listan los nombres de las partes numeradas en la figura anterior.
1) Tubo colimador
2) Tubo Ocular (Telescopio)
3) Plataforma para el prisma
4) Prisma de vidrio Flint con soporte
5) Disco graduado
6) Escala del vernier
7) Lupas
8) Rendija
9) Ajuste fino del colimador
10) Tornillo de fijación para la rendija
11) Ocular
12) Tornillo del disco graduado
13) Tornillo de altura del prisma
14) Tornillo de ajuste del tubo ocular (telescopio)
15) Ajuste de altura del tubo colimador
16) Ajuste de altura del tubo del ocular(telescopio)
17) Tornillos de sujeción de los tubos
18) Ajuste fino del tubo ocular y del vernier
19) Soporte de placas de vidrio paralelos
20) Trípode de base
2 Preparación del Espectrómetro para su uso.
El tubo del colimador y el tubo del ocular (o telescopio) no se suministran montados
sobre el cuerpo del instrumento. Cuidadosamente desempáquelos y fíjelos al cuerpo del
instrumento haciendo uso de los tornillos de fijación (17).
Cuidadosamente remueva el ocular del telescopio y adose la lámpara de iluminación al
mismo.
Conecte la fuente a la lámpara y a la red de 120 voltios.
93
3 Trabajo con el Espectrómetro
El espectrómetro consiste principalmente de las siguientes partes: el tubo colimador (1),
el tubo ocular o telescopio (2), la plataforma para el prisma (3) y el disco graduado (5).
El tubo colimador posee una rendija (8) en su extremo exterior, cuyo ancho y alto
pueden ser ajustados con tornillo de ajuste (9) y además el conjunto puede ser rotado.
Aflojando el tornillo (10) el conjunto de la rendija puede moverse para cambiar la
longitud del colimador para enfocar la rendija, ya que en el otro extremo del colimador
existe un lente de distancia focal f = 160 mm.
La plataforma del prisma debe alinearse de manera que quede horizontal haciendo uso
de los tornillos (13). El prisma de vidrio Flint con su soporte (4) debe ser colocado sobre
la plataforma (3). Otros tipos de prismas pueden ser colocados sin hacer uso de un
soporte.
El telescopio está montado en un brazo el cual es capaz de rotar alrededor del eje del
instrumento. Este brazo puede ser fijado en cualquier posición por su tornillo de fijación.
En el lado exterior del telescopio se encuentra el ocular que también posee una lente de
distancia focal f = 160 mm.
La escala del vernier (6) produce una lectura precisa al estar montada en el mismo
brazo que el telescopio. Las lecturas de la escala se realizan a través de las dos lupas
(7).
El disco graduado (5) puede ser rotado de 0º a 360º alrededor del eje del instrumento.
El disco puede ser fijado en cualquier posición por medio del tornillo (12).
El prisma de vidrio Flint (4) puede ser intercambiado al colocar el soporte de placas de
vidrio paralelas (19) sobre pedestal (3).
3.1 Ajuste del telescopio
Proceda como sigue: Dirija el telescopio hacia un objeto colocado aproximadamente a 3
metros de distancia. Deslice el ocular hacia adentro y hacia fuera hasta que enfoque
nítidamente la cruz que se encuentra en su interior (retícula). Proceda ahora a rotar la
perilla de enfoque del telescopio (14) hasta que el objeto se pueda ver nítidamente.
3.2 Ajuste del tubo colimador.
Enfrente el telescopio al colimador, de manera que la cruz del ocular (retícula) se
encuentre viendo al centro de la rendija del colimador. Afloje el tornillo de ajuste (10) de
manera de poder deslizar la rendija (8) hacia adentro y afuera del tubo colimador, hasta
que la rendija se vea bien enfocada en el ocular, al mismo tiempo proceda a rotarla
hasta que se encuentre alineada verticalmente. Cuando apriete nuevamente el tornillo
(10) revise que la rendija no cambie de posición.
3.3 Ajuste del pedestal del prisma junto con el prisma.
Proceda como sigue: Suba el pedestal del prisma un poquito haciendo uso de los
tornillos (13) justo hasta que se encuentre por debajo del nivel de los tubos del
94
telescopio (D) y el colimador (A). Asegúrese que la superficie del pedestal del prisma
esté paralela al disco graduado. Rote el telescopio (D) a la posición mostrada en la
figura y asegúrela con el tornillo, que se encuentra debajo de la platina graduada y que
no está listado entre las partes por no verse en la figura.
Ahora coloque el prisma (B) de manera que
una de sus caras sea paralela a una línea
imaginaria trazada entre dos de los tornillos
(C) de la plataforma del prisma.
A
B
C
Luego rote la plataforma del prisma hasta que
la reflexión de la rendija aparezca en el ocular
del telescopio, en ese momento asegure la
base del prisma con el tornillo.
Seguidamente use el tercer tornillo (C) para
hacer que la reflexión de la rendija caiga
D
exactamente en el centro de la retícula.
Afloje el tornillo de sujeción de la base del
prisma y rote la base hasta que la rendija se
refleje sobre la segunda cara del prisma;
ahora haga uso del tercer tornillo (C) de la base del prisma para centrar la
reflexión sobre la retícula.
Repita los pasos anteriores hasta que la rotación de la plataforma no cambie la posición
vertical de la reflexión de la rendija.
3.4 Determinación del ángulo de difracción o ángulo refringente.
A
A
B
B
C
C
Ajuste la base del prisma (B) como se describió en el punto 3.3 y proceda a rotarla de
manera que el ángulo refringente apunte hacia el colimador (A). proceda ahora ha
bloquear le plataforma con el tornillo apropiado.
Rote el telescopio (C) hasta que pueda ver la reflexión de la rendija en la cara derecho
del prisma; dicha reflexión debe aparecer centrada en el retículo. Haga uso de las lupas
(7) para leer el ángulo del plato graduado mediante el vernier adosado al telescopio.
Ahora rote el telescopio hasta que la rendija se refleje sobre la otra cara del prisma y lea
el valor del ángulo.
95
La diferencia entre los dos ángulos nos dará el doble del ángulo de difracción o
refringente del prisma.
3.5 Determinación del índice de refracción a partir del ángulo de desviación
mínimo
Cuando un haz de rayos paralelos pasa simétricamente a través de un prisma, ocurre
una desviación mínima δ. En este caso, se obtendrá la siguiente relación entre el
ángulo de refracción θR del prisma, el ángulo de desviación δ y el índice de refracción η
del material del prisma (para la longitud de onda de la luz que está siendo usada):
δ +θR
sen
2
η =
sen
θR
2
Si θR es conocido (para el prisma de vidrio Flint suministrado con el equipo es 60 º),
entonces para obtener el índice de refracción η, solamente se tendría que medir δ.
Para medir δ, ponga el prisma en el camino del haz de tal manera que el ángulo de
incidencia en la cara de entrada no sea muy pequeño. De esta manera se asegura que
el rayo refractado salga del prisma. Para el prisma de vidrio Flint suministrado, el índice
de refracción es η = 1,62 y el ángulo refringente es 60º, produciendo que el menor
ángulo posible de incidencia para que el rayo salga del prisma sea de alrededor de 31º.
Rote el brazo del telescopio de manera que la línea espectral para la cual el índice de
refracción va ha ser determinado aparezca en el punto central del retículo. Entonces,
lentamente rote el prisma (tal vez tenga que ajustar el telescopio) hasta que la línea
espectral pase a través de un punto en el cual se regresa. Este punto es el de
desviación mínima. Mantenga el prisma en esa posición y haciendo uso del tornillo de
sujeción del telescopio fíjelo allí. Use ahora el tornillo de ajuste fino (18) para poner la
línea espectral que se está midiendo en el punto central del retículo, en este momento
lea la posición angular (en grados) mediante el vernier.
Ahora quite el prisma de su pedestal, libere el telescopio y alinéelo con el colimador, de
manera que la imagen de la rendija se encuentre centrada en el retículo. Con el
telescopio en esta posición, nuevamente lea la posición angular con el vernier. Estas
dos medidas nos permiten conocer el ángulo de desviación mínima δ.
3.6 Medida de las longitudes de ondas de las líneas espectrales.
Reemplace el prisma con su soporte por una Rejilla de Rowland con su soporte (este
accesorio no es suministrado con el equipo y debe ser comprado usando el número de
parte SP.5277).
Una rejilla Rowland a grandes rasgo es una rejilla por reflexión cuya geometría es
curva; estando su radio de curvatura relacionado con la geometría del equipo en el que
se encuentra instalado y siendo su principal ventaja la gran intensidad de los rayos
reflejados que concentran en puntos definidos todos los rayos producidos luego de
sufrir los fenómenos de interferencia y difracción.
96
La rejilla Rowland se coloca sobre el pedestal (estando este fijo por el tornillo de
sujeción) de manera que la superficie tratada de la rejilla de hacia el colimador y sea
perpendicular al eje del mismo. Si llamamos: G, la constante de la rejilla, o sea la
distancia característica entre dos elementos adyacentes de la estructura periódica; el
orden del patrón de difracción , n, y al ángulo θn , el que corresponde a la línea de
orden n del patrón de difracción, cuya longitud de onda es λ.
λ=
G
n
sen θ n
Para iluminar la rendija se recomienda el uso de una lámpara espectral. Si la constante
de la rejilla G se conoce, entonces para determinar la longitud de onda se debe medir el
ángulo θn que se produce entre el enésimo orden del patrón de difracción y la imagen
de la rendija sin desviar. Sabiendo que el patrón de difracción es simétrico a ambos
lados de la imagen de la rendija sin desviar, es mas práctico medir el ángulo 2θn el cual
está formado por los dos patrones de difracción de orden n a la derecha y a la izquierda
de la imagen de la rendija sin desviar.
3.7 Medida de la constante G de una rejilla de difracción.
Exactamente como se describió en la sección 3.6, el ángulo θn , que se obtiene de la
medida de 2θn , se determina para poder determinar la constante de la rejilla G, a partir
de la ecuación:
G = sennλθn
3.8 Registrando la curva de dispersión de una rejilla.
Ilumine la rendija con una lámpara espectral. Inserte la rejilla de Rowland en su soporte
y colóquela en el pedestal. Proceda como se describió en la parte 3.6 y determine el
ángulo de desviación θn para cada orden enésimo del espectro y para cada línea
espectral visible. Si la longitud de onda de cada línea espectral es conocida usted
puede realizar una representación gráfica de los ángulos de desviación θn como
función de la longitud de onda λ correspondiente. Conectando los puntos
correspondientes al enésimo orden se encontrará la curva de dispersión de la rejilla
para el espectro de orden n, para dicha rejilla.
3.9 Encontrando una aproximación para el rompimiento de la estructura fina de
la línea D del Sodio.
Las longitudes de onda de las líneas espectrales del sodio pueden ser obtenidas
haciendo uso del goniómetro usado como espectrómetro.
En el segundo orden (n = 2) las líneas D del sodio se dividen. Centre la retícula del
telescopio en la segunda línea (2do orden) de la línea D del sodio y fíjelo en esa
posición. Ahora use el tornillo de ajuste fino (18) para encontrar la separación angular
97
entre la segunda línea y la primera línea D del sodio, haciendo uso del vernier para
medir el número de minutos que las separan. Si θ2 es el ángulo de difracción de la
segunda línea (2do orden) y ∆θ es la diferencia angular leída en el vernier entre la
primera y la segunda línea, entonces la diferencia de longitudes de onda ∆λ puede ser
obtenida a partir de la ecuación:
∆λ = (G/2) [sen θ2 – sen(θ2-∆θ)]
Note que ∆λ es una medida aproximada cuando se mide por este método ya que la
precisión angular del aparato es solamente de 1 (un) minuto.
4.0 Mantenimiento y Limpieza.
El instrumento debe ser limpiado solamente con un paño suave. Las partes ópticas
como el ocular, las lupas y demás lentes debe ser limpiado con papel especial para
lentes.
Las telas normales contienen fibras plásticas que pueden dañar las partes ópticas.
Accesorios
SP.5277 “Rowland grating” divisiones 1000 líneas / 10 mm.
RF.5491 Bombillo se repuesto de 8 voltios.
98
PARTE EXPERIMENTAL
En el espectro visible la variación en la longitud de onda se manifiesta en el cambio de
color, desde el violeta hasta el rojo. La parte superior de la figura a continuación
muestra aproximadamente las regiones correspondientes a cada color. La parte inferior
muestra las principales líneas espectrales de algunos elementos usados en el
laboratorio:
λ(nm)
400
450
500
550
600
650
700
____|________|________|________|________|________|________|____
== violeta ==
=== azul ===
añil
Hg
=== amarillo ===
verde
=== rojo ===
naranja.
|
|
|
||
|
|
405
435
546
577 579
615
691
Na
|
734
||
589 590
H
|
|
410 434
He |
390
Cd
|
|
|
486
657
|
447 469
|
|
|
|
502
588
668
707
| |
|
|
|
||
468 480
509
610
642
735 738
SEA CUIDADOSO AL MANIPULAR LOS TUBOS DE
DESCARGA U OBSERVAR CERCA DE ELLOS
LOS TRANSFORMADORES DAN
ALTO VOLTAJE!
99
1.
ENFOQUE DEL GONIÓMETRO
1.a. Coloque frente al anteojo una superficie blanca bien iluminada como una hoja de
papel. Desplace la lente ocular hacia adentro o hacia fuera del tubo hasta que el
retículo se vea nítido.
1.b. Mediante el anteojo observe directamente un objeto muy alejado y mueva la lente
objetivo correspondiente hasta ver la imagen invertida en el plano de la retícula,
nítida y sin paralaje. Se sabe que no hay paralaje cuando al desplazar ligeramente
el ojo frente al ocular no hay un desplazamiento relativo entre la retícula y la
imagen.
1.c. Enfrente el colimador al anteojo e ilumine la rendija con luz de una lámpara de
sodio, cuidando que la ranura no esté demasiado abierta. Modifique la longitud del
colimador desplazando hacia adelante o hacia atrás la lente respectiva hasta que
la imagen de la ranura aparezca en el campo del ocular, nítida y sin paralaje con la
retícula. Bajo estas condiciones el colimador estará enfocado al infinito.
2.
ÍNDICE DE REFRACCIÓN DE UN PRISMA
2.a. Utilice como fuente luminosa un tubo de descarga con mercurio. Coloque el prisma
con la arista refringente dirigida hacia el haz incidente y la cara opuesta a la arista,
perpendicular al haz. Busque con el anteojo la imagen formada por reflexión y rote
el prisma hasta observar la imagen reflejada en otra cara. Si esta segunda imagen
no queda bien centrada respecto a la retícula debe proceder a nivelar la base del
prisma.
2.b. Dejando al prisma con la arista refringente dirigida hacia el haz incidente, busque
con el anteojo las dos imágenes formadas por reflexión a cada lado del haz, y
mida las posiciones correspondientes. El ángulo refringente del prisma está dado
por la semidiferencia de las lecturas respectivas.
100
Para los puntos siguientes, es conveniente repasar el punto 1.6.b y el punto 4.b de la parte
experimental de la primera práctica y recordar que existe un ángulo de incidencia mínimo,
por debajo del cual usted no podrá observar el rayo refractado en la otra cara del prisma
(debido a la reflexión total interna). Coloque la arista refringente del prisma lo mas cerca
posible del centro de la plataforma de manera de poder ver los haces reflejado y refractado
sin mover el prisma.
2.c. Proceda ahora a buscar el haz refractado y dispersado en sus componentes. Gire
la plataforma que soporta al prisma conjuntamente con el anteojo, de manera de
poder observar el desplazamiento correspondiente del haz. Vea el dibujo de la
página (88) y proceda ha buscar con cuidado la condición de desviación mínima,
es decir, la posición de la plataforma a partir de la cual, girando la plataforma en
cualquiera de los dos sentidos posibles, el haz se mueva en la misma dirección.
Mida la posición específica de cada componente del haz, así como la del haz
incidente transmitido (no dispersado), a fin de determinar el ángulo de desviación
mínima para cada componente. Note como es la secuencia de colores en relación
a la dirección de incidencia.
2.d. A partir de los datos anteriores obtenga, con tres decimales, el índice de refracción
para cada componente observada. Grafique el índice de refracción en función de
la longitud de onda, teniendo en cuenta que el efecto de variación del índice de
refracción se observa en la tercera cifra decimal. Esta gráfica le da una curva de
calibración del instrumento para las medidas que siguen a continuación
101
3.
ESPECTROSCOPIO DE PRISMA
3.a. Mantenga la condición experimental de desviación mínima del experimento
anterior. Observe los espectros de los diferentes tubos de descarga que tiene a su
disposición. Para cada tubo mida las posiciones de las líneas espectrales y
mediante
la
curva
de
calibración
obtenga
las
longitudes
de
ondas
correspondientes.
3.b. Usando la tabla dada al comienzo de la parte experimental, o la disponible en el
laboratorio, identifique los diferentes elementos.
3.c. En caso de que alguno de los elementos sea hidrógeno, determine la constante de
Rydberg.
3.d. Usted dispone, en el laboratorio, de dos modelos de espectroscopios de BunsenKirchhoff, utilice alguno de ellos y luego de iluminar convenientemente la escala,
calibre con la luz emitida por una lámpara de mercurio, y realice nuevamente los
puntos 3.a. y 3.b.
4.
ÍNDICE DE REFRACCIÓN DE LÍQUIDOS
4.a. Sustituya el prisma macizo por un prisma hueco para líquidos. Determine,
mediante la condición de desviación mínima, el índice de refracción promedio,
para cada líquido proporcionado por el profesor.
PARA LOS EXPERIMENTOS QUE SIGUEN A CONTINUACIÓN
MANIPULE CON CUIDADO LAS REDES DE DIFRACCIÓN
NO TOQUE SU SUPERFICIE CON LOS DEDOS
102
5.
RED DE DIFRACCIÓN POR TRANSMISIÓN
5.a. En el goniómetro sustituya al prisma por la red de difracción por transmisión.
Coloque la red formando un ángulo aproximado de 45° con el haz incidente y
busque con el anteojo la imagen de la rendija, formada por reflexión en la red. De
ser necesario, nivele la platina para que la imagen de la rendija quede paralela con
el hilo del retículo.
5.b. A fin de colocar el plano de la red perpendicular al haz incidente, enfrente al
anteojo con el colimador de manera de ver directamente la rendija. Use la escala
graduada para girar el anteojo exactamente 90°. Coloq ue la red y gire la
plataforma hasta observar la imagen de la rendija formada por reflexión. Gire
entonces la plataforma exactamente 45°, en el mismo s entido en que movió el
anteojo inicialmente, y bloquee la plataforma. Regrese el anteojo a su posición
original, enfrentado con el colimador.
5.c. Para cada fuente luminosa que tenga a su disposición proceda a observar el
espectro correspondiente a ambos lados de la dirección de incidencia. Note que
en cada lado el espectro puede repetirse en diferentes regiones angulares. Para
cada lado, el espectro de primer orden es el mas cercano a la dirección de
incidencia. Mida, tanto para un lado como para el otro, los ángulos de desviación
de las líneas espectrales y grafíquelos en función de las longitudes de onda, a fin
de obtener una familia de curvas, cada una correspondiente a un orden diferente
del espectro. Note la secuencia de colores con relación a la dirección de incidencia
y compárela con la obtenida en el caso del prisma (Parte experimental 2.c.). Si usa
una red con menos de 15.000 líneas/pulgada (o 6000 líneas/cm.) podrá observar mas de un
orden del espectro.
5.d. A partir de los datos anteriores obtenga la constante de la red, y compárela con el
valor indicado en la misma (repase el punto 4.b y 4.c de la parte experimental de la
práctica anterior, Difracción e Interferencia) .
5.e. Estime el tamaño de la zona de la red iluminada por la radiación incidente, a fin de
obtener un estimado del número de rendijas y, a partir de ese valor, determinar el
103
poder de resolución de la red en cada orden. De acuerdo a su resultado, indique
cuales serían las longitudes de ondas mas cercanas separables a 400 nm y a
600nm.
6.
RED DE DIFRACCIÓN POR REFLEXIÓN
Como redes de difracción por reflexión haremos uso de rectángulos de CD y DVD.
6.a. El procedimiento inicial de esta parte es bastante parecido al caso anterior de red
de difracción por transmisión. Enfrente al anteojo con el colimador de manera de
ver directamente la rendija. Use la escala graduada para girar el anteojo
exactamente 90°. Coloque la red y gire la plataforma h asta observar la imagen de
la rendija formada por reflexión. En este momento el plano de la red estará
formando 45° exactos respecto al haz incidente. Bloque e la plataforma. De ser
necesario, nivele la platina para que la imagen de la rendija quede paralela con el
hilo del retículo.
6.b. Para cada fuente luminosa que tenga a su disposición proceda a observar el
espectro correspondiente, por reflexión, en primer orden, y de ser posible, en
segundo orden. Mida los ángulos de desviación de las líneas espectrales y
grafíquelos en función de las longitudes de onda.
6.c
A partir de los datos anteriores obtenga la constante de la red, y compárela con el
valor indicado en la misma.
6.d. Estime el tamaño de la zona de la red iluminada por la radiación incidente, a fin de
obtener un estimado del número de rendijas y, a partir de ese valor, determinar el
poder de resolución de la red en cada orden. De acuerdo a su resultado, indique
cuales serían las longitudes de ondas mas cercanas separables a 400 nm y a 600
nm.
104
CONOCIMIENTOS PRELIMINARES
Antes de realizarla practica, el estudiante debe tener claro los siguientes conceptos:
01
Reflexión y refracción de la luz. Refracción de un prisma. Condición de
desviación mínima.
02
Difracción e Interferencia de la luz.
03
Fotón
04
Niveles de energía electrónicos y atómicos. Transiciones. Espectros de línea.
05
Series de Balmer del hidrógeno. Constante de Rydberg.
06
Niveles de energía electrónicos moleculares. Transiciones y espectros de banda.
07
Fuentes de luz policromáticas.
08
Fuentes de luz monocromáticas. Transiciones espontáneas y estimuladas.
Principio de funcionamiento de un láser.
09
Poder de resolución de una red.
10
Componentes de un Goniómetro.
11
Espectroscopio de prisma. Espectroscopio de red.
OBJETIVOS
Al finalizar la practica el estudiante debe estar en capacidad de :
01
Determinar índices de refracción de cuerpos sólidos transparentes que posean
un ángulo refringente, haciendo uso de las medidas del ángulo de desviación
mínima.
02
Determinar el índice de refracción de líquidos.
03
Ajustar un Goniómetro.
04
Utilizar el Goniómetro como Espectroscopio de prisma.
105
05
Utilizar un Goniómetro como Espectroscopio de red.
06
Calibrar un Espectroscopio con la luz proveniente de una fuente de longitudes de
onda conocida.
07
Para fuentes luminosas que producen espectros de línea, medir las longitudes de
onda de dichas fuentes e identificar los posibles elementos componentes de la
misma.
08
Determinar los errores en las medidas de las longitudes de onda al hacer uso del
espectroscopio.
09
Determinar el poder de resolución de la red, para cualquier rango del espectro.
IE/ 241200
LC/ 04 – 2008
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