Física 3“ ESPECTROMETRÍA”

Alumnos : Carlos H. Yáñez J.

Catherina Leiva Robles

Alejandro Lepe Carrillo

Profesor : Rodrigo Oñate G.

Fecha Entrega : 08-06-2009

Ayudante : Angélica Aravena.

Física 3

OBJETIVOS

PLANIFICACIÓN

De acuerdo a la mecánica cuántica, los átomos, pueden solo tener ciertas cantidades de energía discretas y no continuas. Este fenómeno se conoce como cuantización de la energía. Así los átomos de un gas pueden tener diferentes valores de energía, E0, E1, E2,…… llamados estados energéticos cuantizados del átomo. Los sistemas microscópicos en su estado normal o de equilibrio tienden a ocupar sus niveles energéticos inferiores, el nivel llamado "fundamental" E0. Sin embargo al absorber energía pueden pasar a un estado energético superior dentro del proceso llamado "absorción" de energía o también de "excitación" (Fig. 1).

Al encontrarse en niveles superiores (estado "excitado") los átomos pueden volver a su estado normal E0 liberando ahora la energía absorbida en el proceso de absorción en forma de onda electromagnética llamada "cuanto de energía". Este proceso, es llamado "emisión espontánea" de energía (Fig.2).

La cantidad de energía que se absorbe o libera por los átomos se puede definir por ∆Ej, y de acuerdo a la mecánica cuántica se puede definir a partir de la siguiente expresión:

Donde:

= constante de Planckf = frecuencia de la onda electromagnética (Hz).

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Física 3 De este modo los gases al liberar energía desde estados energéticos superiores emiten radiación electromagnética de diferente frecuencia, o lo que es equivalente a diferentes longitudes de onda. Este conjunto de longitudes de onda o frecuencias es llamado "líneas espectrales del gas" o "espectro de emisión". Cada gas tiene "su" espectro de emisión que le caracteriza y por lo tanto pueden ser identificados entre los demás por medio de las líneas espectrales que emite.

Dicho de otro modo, el espectro de emisión de un gas es lo que identifica a cada gas, o bien "la huella digital" del gas. Cualquier gas al ser excitado, emitirá radiación electromagnética con un "espectro de emisión diferente".

Al hacer pasar una luz de Mercurio o de un gas por una red de difracción, hace que las ondas que emergen de esta, interfieren constructivamente cuando la diferencia de camino d sen 9 es igual a un número entero de longitudes de onda.

Entonces se puede establecer la longitud de onda de cada línea espectral a partir de la expresión:

Donde:d = distancia entre las rendijas (d puedes ser calculada sabiendo el número de líneas por mm).θm = ángulo bajo el cual se ve una línea o máximo de orden de difracción m.λ = longitud de onda.m = orden de difracción.

Por lo tanto para cierta longitud de onda los máximos se ubicarán bajo diferentes ángulos que corresponderán a diferentes órdenes de difracción m. Esto significa que para incidencia de luz de un gas (Mercurio) en una rejilla de difracción, en la pantalla se obtendrá un patrón de interferencia producto del proceso de difracción, que contendrá todas las líneas espectrales de colores (componentes) de la luz del gas empleado.

Determinando el ángulo bajo el cuál se ve cada línea espectral de color y empleando la expresión (2) se puede obtener la longitud de onda correspondiente a cada línea de color.

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MATERIALES

Equipo necesario Cant. Otros CantBase de espectrometría 1 Lente Colimador 1Red de Difracción ( 600 líneas/mm ) 1 Disco Graduado 1Lamina Colimador 1 Lente Convergente 1Disco de Aperturas 1 Sensor de Luz alta sensitividad 1Sensor de Rotación 1 Riel de Montaje 1Fuente de Luz de Mercurio 1

ESQUEMA DE MONTAJE DE EQUIPOS

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PROCEDIMIENTO

Utilice el Sensor de Rotación para medir el desplazamiento circular del disco graduado en grados y el sensor de luz para determinar la posición, por la intensidad lumínica, de las diferentes líneas espectrales de la luz de Mercurio o gas empleado en la emisión.

Utilice el DataStudio para registrar y mostrar los datos por medio de un gráfico. Determine a partir de el, la variación angular y con estos datos determine la longitud de onda para cada línea del espectro de la luz del gas empleado.

PARTE I: CALIBRADO DEL SENSOR

NOTA: - Calibre el sensor de movimiento rotacional bajo las siguientes condiciones: Frecuencia de muestra 5 Hz, medida de lectura "posición angular canales 1 y 2 (rad)" y resolución de 360 Divisiones/vuelta- El sensor de luz calíbrelo para tomar lecturas de intensidad luminosa.

PARTE II: CONFIGURACIÓN DEL ORDENADOR

1. Conecte el interfaz al ordenador y luego encienda el interfaz.2. Encienda el computador.3. Active el programa Data Studio y verifique que la interfaz sea detectada.4. Active de la tabla de sensores e! Sensor de Movimiento Rotacional a los canales digitales 1 y 2.5. Active de la tabla de sensores el Sensor de Luz al canal analógico A6. Minimice las pantallas y luego active un gráfico para el registro de las mediciones.3. Fije en la escala vertical u ordenada la intensidad de la luz y en la escala horizontal o absisa la lectura del sensor de movimiento de rotación.

PARTE III: RECOGIDA DE DATOS

1. Coloque la fuente de luz de Mercurio delante del riel de la base de espectrometría. Coloque la lámina colimadora y el lente colimador delante de la red de difracción sobre el riel y el lente convergente detrás de la red de difracción.

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Física 3 2. Encienda la luz de Mercurio y verifique la presencia de las líneas espectrales del máximo de orden 1 en la base del disco de aperturas.3. Gire manualmente el disco graduado hasta un punto por fuera de la última línea espectral del máximo para el orden 1.4. Presione la opción de inicio en el menú de pantalla.5. Gire lentamente y en forma manual, en sentido anti-horario, el disco graduado desde este punto hasta que supere el máximo central, verifique el movimiento por medio del registro en el gráfico.6. Presione ¡a opción detener en el menú de pantalla.7. Si desea repetir el proceso elimine los datos tomados y repita el proceso.8. En el gráfico deben aparecer las marcas de los ángulos de cada línea del espectro.

ANALISIS DE DATOS INTERACTIVOS.

1. Determine para cada muestreo empleando la herramienta inteligente el ángulo inicial, el ángulo inicial y la variación angular.2. Transfiera los resultados a una tabla en el informe de Laboratorio.

Anote sus resultados en el Informe de Laboratorio.

Para el informe de Laboratorio

Tabla de Datos 1 Complete la Tabla:

Orden de difracción m

Color Angulo Longitud de Onda (nm)

1 Violeta 16.45º 4701 Verde 19.72º 5601 Naranjo 21.89º 6182 Violeta 33.03º 4522 Verde 43.26º 5682 naranjo 45.97º 596

Calculo de d d = (1/600)/1000

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PARTE IV: RECOGIDA DE DATOS EMPLEANDO UN ESPECTROMETRO.

ESPECTRÓMETRO

Este instrumento es un dispositivo que permite estudiar los espectros de emisión del gas. El gas (S), excitado a niveles superiores de energía debido a descargas eléctricas, emite radiación electromagnética en forma de líneas espectrales, parte de las cuales corresponden a la banda visible del espectro. Estas, pasan a través de la rendija (1) del espectrómetro y alcanzan la red de difracción. (4).

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PROCEDIMIENTO EMPLEANDO UN ESPECTROMETRO

1.- Saque la red (4) del soporte (3) del espectrómetro y alinee el espectrómetro observando con el ocular la radiación del gas a través de la rendija. Fije el vernier de tal manera que el ángulo correspondiente sea cero.2.- Ubique nuevamente la red de difracción (4) en el soporte (3) perpendicularmente a la alineación del espectrómetro. Anote el número de líneas por mm que tiene la red.3.- Con el ocular ubique diferentes líneas espectrales de emisión del gas, anote el ángulo bajo el cual se ven, su color y el orden de difracción.

Para el informe de laboratorio, complete la tabla 2.

Orden de difracción Color Angulo Longitud de Onda (nm)1 Violeta 14° 403 1 Azul 15,5° 445 1 Verde 17,5° 501 1 Amarill

o 19.5° 556

1 Naranjo 20.5° 5842 Violeta 29.5° 4102 Azul 32.5° 448 2 Verde 37° 502 2 Amarill

o 42.5º 563

2 Naranjo 45.5º 594

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CONCLUSIONES Y APLICACIONES

1.- ¿Qué entiende por cuantización de la energía?.

Son las determinadas cantidades de energía discreta que pueden tener los sistemas microscópicos.

Cuantización de energía es cuando los átomos o las partículas subatómicas, como los electrones, absorben o emiten energía al aumentar o disminuir de niveles energéticos. Así, los átomos absorben energía cuando escalan a un nivel superior y emitan energía cuando bajan a un nivel inferior.

2.- ¿Cuántos órdenes de difracción logró observar?.

Logramos observar 2 órdenes de difracción.

3.- ¿Dónde deberían estar ubicadas las líneas espectrales de mayor orden m?.

Al realizar la experiencia, observamos que las líneas espectrales del gas se veían al girar el ocular hacia la derecha, por lo tanto, las líneas espectrales de mayor orden se deberían ver a mayores ángulos que los que pudimos ver, es decir, girando el ocular del espectrómetro más hacia la derecha. (θ=45º)

4.- ¿Qué sucede en el centro de observación, o sea, cuando θ = 0o?.

Podemos apreciar el espectro de luz completa, como se suponía, solamente se observó la luz blanca, es decir, el máximo central.

5.- ¿Qué energía electromagnética corresponde a cada longitud de onda observada?.

La energía electromagnética correspondiente a cada longitud de onda es la emitida por el gas utilizado. Es llamada “líneas espectrales del gas” o “espectro de emisión” y se puede cuantificar de acuerdo a:

∆Ei = hƒi donde h = cte. De Planck = 6,62*10-34 (J*S).

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Tabla 1: violeta1 = 4.22*10-17 J

Verde1 = 3.54*10-17 J

Naranjo1 = 3.21*10-17 J

Violeta2 = 4.39*10-17 J

Verde2= 3.49*10-17 J

Naranjo2 = 3.33*10-17 J

El espectro de emisión de un gas es la huella digital de un gas al ser excitado, obteniéndose las diferentes longitudes de onda.

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