EXPERIMENTO DE FÍSICA ATÓMICA Facultad de Ciencias Físicas Laboratorio de Física Experimental 2019-I Determinación de Líneas Espectrales Michael Gomez 16130014 José Marin 16130010 Milco Herrera 16130111 Liz Quispe 16130021 Katterine Taipe 16130129 Profesor: Eusebio Torres Tapia 5 de abril del 2019 Resumen En primer lugar estudiamos cuantitativa y cualitativamente los espectros emitidos a través de una red de difracción de una lámpara de sodio. Luego, se estudió cualitativamente los espectros de los gases nobles: helio (He), Neón (Ne), Argón (Ar), Kriptón (Kr) y Xenón (Xe). Marco teórico El estudio de Espectroscopia fue inventado y desarrollado por Robert Wihelm Bunsen. Este estudio surgió por la interacción entre la radiación y la materia como función de la longitud de onda. Siendo así que, en determinadas condiciones los cuerpos emiten energía en forma de radiación; y esta emisión de radiación es una radiación electromagnética. Uno puede pensar que un elemento irradia energía en varias direcciones de longitud de onda; sin embargo, solo irradia para aquella que le esté permitido según su configuración electrónica. Es así como cada elemento químico posee su propio espectro de emisión, lo cual sirve para identificarlo y conocer de su existencia en distintas muestras. Como es de esperarse, las distintas longitudes de onda vienen juntas y como no podemos separarlas a simple vista, se hace uso de una red de difracción. Rendija de Difracción Es un dispositivo útil para analizar fuentes luminosas, compone de un gran número de rejillas paralelas igualmente espaciadas. Los espacios entre las líneas actúan como fuentes de luz reflejada muy parecidas a las rejillas de transmisión, estas rejillas pueden tener espaciamientos muy cercanos a las longitudes de ondas. Figura 1. Vista lateral de una rejilla de difracción. La separación de rendijas 𝑑 ya diferencia de trayectoria entre rendijas adyacentes es 𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 2 El mecanismo es el siguiente: Una onda plana incide desde la izquierda, normal al plano de la rejilla, Las ondas de todas las rendijas están en fase cuando dejan las rendijas. Sin embargo, para alguna dirección arbitraria 𝜃 medida desde la horizontal, las ondas deben recorrer varias longitudes hasta llegar al punto P. Tal diferencia de Trayectoria viene dado por: 𝛿 = 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃 Y si es igual a su longitud de onda o algún múltiplo entero, entonces las ondas provenientes de todas las rejillas están en fase en el punto P y se observa una franja radiante. Por consiguiente, la condición para máximos en el patrón de interferencia en el ángulo 𝜃 es: 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑛𝜆 Con 𝑛 = 1,2,3.. y 𝑑: 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑗𝑖𝑙𝑙𝑎 Si la radiación incidente contiene varias longitudes de onda, el máximo de orden n-ésimo para cada longitud de onda ocurre a un ángulo específico. En la figura.2 se muestra la distribución de orden. Figura 2. Órdenes en la difracción Espectro de Emisión El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de ondas electromagnéticas emitidas por ´átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único. Figura 3. Absorción o emisión de electrones 3 Procedimiento Experimental I. Determinación de Líneas Espectrales cuantitativa y Cualitativamente del Elemento Sodio (Na). Usamos en esencia los siguientes instrumentos: Lámpara de Sodio (Sodium Light Source OS 9287B. Pasco Scientific) Red de Difracción (600 líneas/mm) Espectro-goniómetro (Gaertner Scientific Corporation) Un espectro-goniómetro usualmente es usado para analizar espectros, determinar el ángulo de desviación mínimo y el índice de refracción de los primas. Pero que también es usado como espectro de rejilla de la cual hicimos uso para este análisis de espectros de la lámpara de sodio. La luz entrará en el espectrómetro de red en forma divergente a través de una rejilla (red de difracción) que se encuentra dentro del colimador. Esto hará que la luz se difracte, de forma que cada longitud de onda es desviada de manera distinta (Fig 1). Los haces de longitud de onda confluirán en una imagen sobre otra rendija sobre el plano focal del objetivo, el cual podrá ser apreciado a través de un telescopio que posee un brazo giratorio para medir los ángulos de desviación. Fig 1. Marcha del haz en un espectrómetro de rejilla. La luz entra a la red en forma divergente a través de una rendija vertical 𝑆. e incide sobre el objeto 𝑂1 ; ambos forman el colimador. Detrás del objetivo, la luz llega como un conjunto de haces paralelos hasta la red 𝐺. La luz es difractada de forma que cada longitud de onda es desviada de manera distinta. Finalmente, mediante un objetivo 𝑂2 los haces paralelos confluyen y es observado mediante el ocular 𝑂’. Estos dos últimos forma el telescopio. 4 Para medir los ángulos y la posición relativa de cada línea se registra sobre un goniómetro la posición del telescopio sobre un semi-disco con una escala dividida en intervalos de 0.5º Una vez conocida la función del espectrogoniómetro, procedimos alinear el equipo (fig 3.) con la fuente de luz puntual (lámpara de sodio de la firma Pasco) que debe llegar a la altura de la entrada del colimador (compuesto por una red de difracción de 600 líneas por mm), por ello se hizo uso de unos bloques de mármol que fueron puestas previamente para nivelarlo. Una vez alineado el colimador con la lámpara en incidencia normal, se debe calibrar el colimador pero en vista que ya se encontraba calibrado, omitimos este paso. Fig 2. Esquema del Dispositivo. Notar que la ubicación de la red respecto del haz proveniente de la lámpara de Na. Una vez calibrado y ya montado el equipo, a partir de la normal observaremos a través del telescopio las líneas espectrales (Fig 2.) y con la ayuda del goniómetro registramos los ángulos para las líneas espectrales del sodio, tomando como punto de referencia la normal. Red de Difracción Lámpara de 𝑁𝑎 10.8 cm. 8 cm. Centro Telescopio Colimador Goniómetro Fig 3. Montaje Completo del experimento luego del ajuste 5 Fig 4. Espectros observados del Sodio (Na) II. Análisis Cualitativo de los Gases Nobles Usamos los siguientes instrumentos: Soporte (the welch scientific Company. Establismed 1880) Espectro-goniómetro (Gaertner Scientific Corporation) 6 Tubo de Descarga (He, Ne, Ar, Kr, Xe) Como es difícil poder hacer un análisis cuantitativo por la gran variedad de mediciones y no poseer un soporte adecuado para el correcto análisis con precisión. Solo procedimos a la observación característica de los espectros para de cada uno de los elementos. Primero alineamos el equipo (fig 5.) y calibramos el colimador que nos ayudará a resolver las distintas líneas para observar los espectros correspondientes. Tener en cuenta que los tubos de descarga toleran un máximo de 8V y una duración aproximada de 1 hora. De lo contrario nos arriesgamos a que el tubo se queme y emita un color plomizo en el tubo, por tanto no se podrá observar las líneas espectrales. Espectro-goniómetro 25.5 cm Tubo de descarga Soporte Fig 5. Montaje completo del experimento luego de la calibración Luego procedimos a la observación de líneas espectrales para cada gas noble y observamos las siguientes características: Fig 6. Líneas Espectrales del elemento Helio (He) 7 Fig 7. Líneas Espectrales del elemento Neón (Ne) Fig 8. Líneas Espectrales del elemento Argón (Ar) Fig 9. Líneas Espectrales del elemento Kriptón (Kr) Fig 10. Líneas Espectrales del elemento Xenón (Xe) 8 Conclusiones: Efectivamente se logró descomponer la luz por el gas en la lámpara y obtuvimos sus ángulos correspondientes y derivados (análisis cuantitativo y cualitativo). Coincidiendo con el espectro de emisión que se esperaba en la literatura. Determinamos la constante de la red de difracción, teniendo en cuenta que la red de difracción poseía un valor de 600 líneas/mm. Por otro lado en la red de difracción, el poder resolutivo es directamente proporcional a la longitud del lado de la base y a la dispersión espectral del vidrio, con lo que al final resulta bastante inferior al que alcanzan las redes de difracción. Como los ángulos son medidos por medio del goniómetro, permitiendo su mayor precisión. Ello ayudó a mejorar nuestras longitudes de onda y frecuencias; comparándolos con los colores ya conocidos. A nivel atómico se puede decir que solo algunos fotones con ciertas energías son emitidos. El principio de emisión atómica explica la variedad de colores. En el análisis cualitativo de espectros de los gases nobles: helio (He), Neón (Ne), Argón (Ar), Kriptón (Kr) y Xenón (Xe). Notamos que cada uno posee espectros particulares, concluyendo así que cada elemento químico posee su propio espectro de emisión que sirve para identificarlo y saber de su existencia respecto a los demás elementos, como si fuera una huella digital. Referencias: [1]Adrian Melissinos - Jim Napolitano, Experiments in Modern Physics, Academic Press (2003). [2] F. Jenkins and H. White. Fundamentals of Optics. Editorial McGraw-Hill Education, 2001. [3] Lebold Didactic,GmbH. Medición de las Líneas espectrales de gases nobles y vapores metálicos con un espectrómetro de red de difracción, manual de uso (LD-P5.7.2.1) [4]Phywe Systeme Gmbh. Espectro-Goniómetro, manual de uso (35635.02) [5] R. Eisberg - R. Resnick, Física Cuantica: Átomos, Moleculas,Sólidos, Nucleos y Particulas, Limusa-Wesley (2012). 9
