OBJETIVO
A través de este documento, conocer los distintos espectros atómicos característicos de cada elemento (observación y medida de las longitudes de onda de los espectros visibles), el cuál es observado gracias al espectro goniómetro go niómetro
INTRODUCCIÓN
Los espectros, son originados por la descomposición de las la radiación en distintos colores, estos colores están asignados a las diferentes longitudes de onda asociadas a la radiación. Esta radiación es emitida por el elemento característico y es originada principalmente por el calentamiento de este o la agitación de sus moléculas, una vez ocurrido esto, la radiación obtenida es observada a través de un espectro goniómetro, donde es descompuesta por una rendija colimadora, pudiendo nosotros así, apreciar el espectro característico del elemento.
FUNDAMENTO TEORICO: HISTORIA:
Hacia el año 1666, Sir Isaac Newton, al observar como un rayo de luz solar al atravesar un prisma de vidrio se descomponía en un abanico de diferentes colores. Sin embargo la descripción que aparece en su “ Óptica” es muy cualitativa y está orientada hacia la discusión de la naturaleza óptica de la luz de diferentes colores. Casi medio siglo después Wollaston realizó el mismo tipo de observaciones de la luz solar de una forma más precisa. Usando un colimador para obtener un haz de luz estrecho, lo hizo incidir sobre un prisma y el pincel luminoso de luz dispersada aparecía mucho más nítido, entonces Por primera vez, Wollaston observó que el espectro solar estaba surcado por unas rayas negras en posiciones que parecían fijas. Lamentablemente, no existía aún, en aquella época ninguna explicación física bien contrastada del fenómeno. Pasó más de un siglo para que la Teoría Cuántica y Atómica se diera a conocer. Era el año 1814, Franhoufer (un óptico alemán) sitió tras el prisma del dispositivo ideado por Wollaston, un anteojo. Al observar el espectro solar señaló que el número de rayas oscuras a lo largo de él se acercaba al centenar. Este descubrimiento le llevó a elaborar el primer mapa del espectro solar, bautizado con las letras A, B, C, D a las líneas oscuras más marcadas. A pesar de que Franhoufer no conocía que la línea C es debida al hidrogeno, la línea D es debida al sodio y la línea que llamó H, era producida por el calcio, pese a ello hoy en día algunas mantienen la notación dada por Franhoufer.
Espectro solar descrito por Franhoufer
Cerca al año 1849 Foucault advirtió que una de las líneas del espectro, la llamada D, se refuerza si la luz atraviesa un arco eléctrico de sodio antes de incidir en el dispositivo de análisis espectral. Este hecho fue posteriormente generalizado gracias a los trabajos realizados por kirchoff. Para que en 1859 Kirchoff exponga ante la Academia de Berlín una memoria en la que explicaba cómo, si se disponía una lámpara de sodio en el trayecto del haz incidente y antes de la rendija del espectroscopio, las rayas del espectro tenían diferente aspecto según la temperatura de la llama. Para una llama fría aparecía una raya D brillante. Kirchhof fue el primero en proponer una explicación física del fenómeno. Según él, un gas incandescente emite luz sólo a ciertas longitudes de onda, las cuáles son características de los átomos que constituyen el gas, dando lugar a un espectro de líneas brillantes (espectro de emisión). En cambio, si el gas está frío, al ser atravesado por radiación constituida por diferentes longitudes de onda, dicho gas absorbe las mismas radiaciones que es capaz de
emitir y sólo ellas, dando lugar a líneas oscuras en el espectro de la luz incidente(espectro de absorción) Tiempo después, Rowland logró grabar redes de difracción de alta calidad, incorporándolas incluso al objetivo de un anteojo. De esta manea obtuvo un mayor poder de dispersión y una mayor resolución en el análisis espectral de la radiación incidente. Con este instrumento el propio Rowland llegó a determinar la longitud de onda de unas 20000 líneas del espectro solar. La explicación de la estructura de los niveles de energía atómica de Bohr consiguió una descripción cuantitativa del espectro del átomo de Hidrógeno. Más tarde, la formulación rigurosa de la Física. Cuántica ha permitido una compresión precisa de los espectros atómicos y moleculares de la materia.
Espectro de emisión (a) y espectro de absorción (b) de un gas
¿QUE ES UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA? Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. Y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse; es decir, pueden desplazarse por el vacío.
¿QUE ES LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA?
Es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma.
¿QUE ES UN ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO?
Es la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. A continuación un esquema del espectro electromagnético:
Las diferentes zonas, se pueden agrupar: Serie de Lyman: Que corresponde a las transiciones de los distintos niveles de energía (n=2,3,4,……), hacia la capa 1. Le corresponde la zona ul travioleta del espectro. Serie de Balmer: Que corresponde a las transiciones de los distintos niveles de energía (n=3,4,5,…..), hacia la capa 2. Le corresponde la zona visible del espectro.
Serie de Paschen: Que corresponde a las transiciones de los distintos niveles de energía (4,5,6,……), hacia la capa 3. Le corresponde la zona infrarroja del espectro
Serie de Bracket: Que corresponde a las transiciones de los distintos niveles de energía (5,6,7,……), hacia la capa 4. Le corresponde la zona infrarroja del espectro Serie de PFund: Que corresponde a las transiciones de los distintos niveles de energía (6,7,8,……), hacia la capa 5. Le corresponde la zona infrarroja del espectro
Espectroscopia de Absorción:
La espectroscopia de absorción es la medida de la cantidad de luz absorbida por un compuesto en función de la longitud de onda de la luz. En general, e irradia una muestra con una fuente de luz y se mide la cantidad de luz transmitida a varias longitudes de onda, utilizando un detector y registrando el fenómeno en un gráfico.
Espectroscopia de Emisión
La espectroscopia de emisión es la medida de la cantidad de la luz emitida por un compuesto en función de la longitud de onda de la luz. En general, se excita el compuesto y se mide la cantidad de luz emitida a varias longitudes de onda, utilizando un detector y registrando el fenómeno gráfico. En esta experiencia se enfocará a la espectroscopia de emisión. Entonces, nos cuestionamos acerca de: ¿Cómo se produce el proceso de emisión?
Los electrones salidos del Cátodo, viajan hacia el Ánodo, en este transcurso chocan con los átomos del gas contenido en el tubo que contiene la muestra, esto origina choques (estos pueden ser elásticos e inelásticos) entre los electrones ligados (de los distintos niveles de energía) y los electrones que se encuentran viajando ,esto genera que el átomo se excite. Es generado entonces una vacancia en algún nivel energético del átomo, entonces para llenar esta vacante(y así el átomo pueda volver a su estado fundamental), un electrón de un nivel superior llena esta vacancia, liberando así un fotón de energía (radiación característica del material). Dependiendo claramente de la energía del fotón característico, se podrán registrar las diferentes longitudes de onda usando la relación:
⁄ . Experimentalmente, para calcular la longitud de onda se tiene que hacer :
Usualmente al realizar una espectroscopia, sea de emisión o de absorción, el resultado será la medición de la radiación emitida o absorbida. Sin embargo, en la experiencia que se está trabajando, no trataremos una espectroscopia convencional, sino que utilizaremos un Espectro goniómetro, para separar y medir las diferentes longitudes de onda emitidas por las transiciones ocurridas dentro del átomo. El espectro goniómetro se basa en el hecho que diferentes longitudes de onda son desviadas a distintos ángulos por una red de difracción.
Cuando un haz de luz de rayos paralelo, incide sobre una red de difracción, cada uno de estos máximos de intensidades decrecientes a partir a de la dirección incidente del haz. Cada uno de estos máximo d intensidad se produce un ángulo
( ) ⁄. Siendo d la constante de la red de difracción y n un número entero incluido el cero.
Para n=0 se obtiene un máximo de intensidad a ángulo sea cual fuere la longitud de onda: todas las longitudes. Suposición angular dependerá de la longitud de onda. Si el haz está compuesto de varias longitudes de onda, obtendremos una línea de cada color en posiciones angulares separadas. Para n=2 se produce el mismo conjunto de líneas de diferentes colores correspondientes a n=1, pero con menor intensidad y más lejos del ángulo cero. La intensidad decrece rápidamente con n mientras el ángulo crece, por lo que no es esperable observar muchos conjuntos de líneas de difracción. Para medir la longitud de onda correspondiente a la línea n-ésima de un color a partir del centro de la pantalla, basta medir el ángulo y utilizar la fórmula siguiente: (( ))
MATERIALES:
.
1. Red de difracción de constante d = 1; 67 * 10 -6 m.
2. Lámparas de los Elementos de los cuales se determinará su espectro (tubos de vidrio)para este experimento usamos He,H, Kr, Hg. 3. Y el sólido Na, el cuál será calentado en un pequeño horno provocando así que emita energía. 4. Pequeño horno (para el caso del sodio) 5. Fuente de corriente continua de cambio continuo 6. Fuente de alto voltaje.
7. Espectro goniómetro: es una base con un colimador para luz de la fuente , una red de difracción y un telescopio giratorio alrededor de un eje vertical para observar la luz difractada y medir su longitud de onda. La red de difracción está montada sobre una plataforma que gira alrededor del mismo eje vertical para observar la luz difractada y medir su longitud de onda. LA red de difracción está montada sobre una plataforma que gira alrededor del mismo eje vertical que el telescopio, pero independientemente de éste. El ángulo de difracción se mide determinando las posiciones del telescopio respecto a la base del espectro goniómetro, primero apuntando al haz no difractado luego apuntando al haz difractado. Para ello el espectro goniómetro tiene una escala con una numeración base de entre 0 y 360 grados y unas escalas superiores tipo vernier. Con la escala base, apreciamos hasta un tercio grado y con la escala vernier, que esta graduada de 0 a20 min de arco, Para leer una posición angular, se nota en
número de grados de arco de la escala base indicado por el cero de la escala vernier, con precisión de medio grado; los minutos de arco de la medida se obtienen determinando cuál es el número de las divisiones de la escala vernier que coincide con división de la escala base.
El cero de la escala vernier marca un poco más de dos grados y medio en la escala base. Para determinar cuánto es ese poco más, buscamos cuál es la división de la escala vernier que coincide con una división de la escala base.
INSTRUCCIONES SEGURIDAD
DE
1. Espectro goniómetro: para alinear y equilibrar los diferentes componentes del espectro goniómetro, existen diversos tornillos. No deben tocarse cuando el aparato está ajustado. Normalmente el aparato debe estar alineado. Si no es así, consulta al supervisor del laboratorio antes de intentar alinearlo tú mismo. 2. Red de Difracción: No debe tocarse la red de difracción con los dedos, debe estar alineado con el espectro goniómetro. 3. Manipular la fuente de tensión con extrema precaución.
PROCEDIMIENTO
1. Colocar las conexiones de la lámpara de Helio con la fuente de tensión. Ó en caso que no fuese un gas, se utilizará un pequeño horno, para calentar la muestra y así provocar que emita energía (esto lo apreciamos en el Na) 2. Alineamos el espectro goniómetro con la red de difracción. 3. Abrir la rendija, que esta orientada hacia la muestra, en solo una pequeña porción. 4. Ahora, asegurarnos que estemos en un ambiente oscuro, para que las líneas sean visibles. 5. Una vez encendida la fuente de tensión, comprobar que se ve correctamente enfocada la imagen no dispersada de la rendija y mide la posición angular sobre la escala. A partir de esta posición debemos buscar las líneas difractadas a ambos lados del ángulo de desviación, midiendo la posición angular de todas las que se encuentre. 6. Con los ángulos de difracción medidos, calcula las longitudes de onda de las líneas. Para ello se deber tener en cuenta el orden de difracción (n) de la línea medida. 7. Finalmente se calcula la energía eV de los fotones emitidos en las transiciones que dan lugar a las líneas observadas. 8. Repetir el procedimiento para las distintas lámparas.
RESULTADOS OBTENIDOS
La longitud de onda de luz emitidas por los elementos químicos, siguen la siguiente ecuación, definida por el ángulo de refracción:
La distancia entre las ranuras de la red de difracción es: 1,66 x 10-6 m En el experimento se pudo obtener los siguientes datos: 1. Para el helio:
El orden de patrón de difracción del helio utilizado es 1, entonces utilizando la ecuación anteriormente mencionada
Como observamos la longitud de onda del helio nos proporciona los siguientes datos: La luz visible es de color aproximadamente amarillo. El espectro de emisión del helio es (3889, 4026, 4221, 5016, 5876, 6678, 7065) Å, y nosotros obtuvimos ; los cual está cerca del valor teórico.
2. Para el sodio:
El orden de patrón de difracción del sodio utilizado es 1, entonces utilizando la ecuación anteriormente mencionada
5948.90 Como observamos la longitud de onda del sodio nos proporciona los siguientes datos: La luz visible es de color. El espectro de emisión del sodio es (5890, 5896) Å, y nosotros obtuvimos 5948.90 Å; los cual está cerca del valor teórico.
3. Para el mercurio:
El orden de patrón de difracción del mercurio utilizado es 1, entonces utilizando la ecuación anteriormente mencionada -7 5,541x10
Como observamos la longitud de onda del mercurio nos proporciona los siguientes datos: La luz visible es de color azul claro. El espectro de emisión del mercurio es (3126, 3131, 3650, 4047, 4358, 4916, 4960, 5461, 5770, 5791, 6152, 6232) Å, y nosotros obtuvimos 5541.19 Å; los cual está cerca del valor teórico.
Líneas espectrales
ESPECTRO DE EMISIÓN DEL Na
ESPECTRO DE EMISIÓN DEL H
ESPECTRO DE EMISIÓN DEL He
ESPECTRO DE EMISIÓN DEL Kr
ESPECTRO DE EMISIÓN DEL Hg
CONCLUSIONES:
Observamos los espectro atómicos para distintos elementos (Hg, Kr, H, He, Na) La región observada, gracias al espectro goniómetro, es la serie de Balmer (ya que es la zona visible). Aprendimos, a manipular el espectro goniómetro de una manera óptima. La rendija que está orientada hacia la muestra, debe abrirse solo una fracción, ya que si notamos que si habríamos demasiado la rendija , el espectro no era observado.
Se aprendió acerca de los espectros de emisión y de absorción.
Ahora se conoce cómo funcionan las transiciones atómicas.
BIBLIOGRAFÍA:
http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/1-cdquimicatic/applets/espectro-bohrMB-2/teoria-bohrr.htm
http://es.scribd.com/doc/14174282/1-ESPECTRO-DE-ABSORCION7
GUIONES DE FISICA EXPERIMENTAL III
http://cimuco.blogspot.com/2008/10/espectros-de-emisin-del-hidrgeno-helio.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagnético
http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_electromagn%C3%A9tica
RED DE DIFRACCION P-2 (PDF)
ESPECTROS, ATOMOS Y NUCEOS (PDF )
