Informe 4 F´ısica ısi ca Moder Mo derna na 1
Juan Manuel Gonz´alez. alez.
´ PARA ESPECTROSCOPIA DE EMISION ALGUNOS GASES. Cuervo, J.1, Sanabria, D2, Torres, G3, Velez, J4 1,2,3,4
Universidad Distrital Distrit al Francisco rancisc o Jos´e de Caldas 12 de mayo de 2015
Abstract. In this this lab spectro spectromet meter er to measur measuree the differen differentt angles angles of refra refracti ction on or
diffraction of different colors can have a spectrum of light when the beam is composed of more than one color is used. To obtain these results it is necessary to measure these angles subjecting a gas to a potential difference and generate a light beam and measure the angles for different colors. Measured after these angles, you can be found indices associated with different diffraction angles, thereby setting a length associated with each color composing the light beam wavelength of each gas. Keywords: Spectrometer, Diffraction Angle, Wavelength. Resumen. En esta pr´ actica de laboratorio se utilizar´a el espectr´ometro actica ometro para poder medir
los diferentes ´angulos angulos de refracci´on on o difracci´on on de los colores diversos que puede tener un espectro de luz cuando el haz se compone de m´as de un color. Para obtener estos resultados es necesario medir dichos ´angulos angulos sometiendo sometiendo un gas a una diferenci diferenciaa de potencial potencial y as´ as´ı generar un haz de luz y poder medir los ´angulos a diferentes colores. Luego de haber medido estos ´angulos, angulos, se pueden hallar los ´ındices ındices de difracci´on on asociados a los diferentes ´angulos angulos y as´ as´ı establecer la longitud de onda asociada a cada color que compone el haz de luz de cada gas. ´ Palabras clave: Espectr´ ometro, ometro, Angulo de Difracci´ Difracci´ on, on, Longitud de Onda.
1. 1.1. 1.1.
OBJ OBJETIV ETIVOS OS Objetiv Objetivo o Gener General al
Verificar erificar los espectros espectros producidos producidos por diferentes gases al emitir luz *
[email protected]
Espectroscopia de emisi´on para algunos gases. 1.2.
2
Objetivos espec´ıficos
Identificar la longitud de onda de la luz producida por los diferentes gases
Comparar los datos obtenidos con los registrados en la literatura cient´ıfica y con esto constatar el gas emisor Figura 1: Diagrama del Espectr´ometro
2.
´ MARCO TEORICO
En su forma m´as simple, un espectr´o metro es nada m´a s que un prisma y un transportador. Sin embargo, debido a la necesidad de una detecci´on muy sensible y medici´on precisa, espectr´o metro real es un poco m´as complicado. Como se muestra en la Figura 1, un espectr´ometro consta de tres componentes b´asicos; un colimador, un elemento de difracci´on y un telescopio.
En principio, un espectr´ o metro es el m´as simple de instrumentos cient´ıficos. Se dobla un haz de luz con un prisma o red de difracci´on. Si el haz se compone de m´as de un color de la luz, se forma un espectro, ya que los diversos colores se refractan o difractan a diferentes ´angulos. Se mide cuidadosamente el ´angulo en que cada color de la luz se dobla. La luz entra a analizar el colimador a El resultado es una huella digital espectral trav´ es de una estrecha ranura situada en que lleva una gran cantidad de informaci´on el punto focal de la lente colimador. Por acerca de la sustancia de la que emana la luz. tanto, la luz que sale del colimador es un haz paralelo delgado, lo que asegura que toda La importancia del espectr´ometro como la luz de la rendija golpea el elemento de un instrumento cient´ıfico se basa en un difracci´on en el mismo ´angulo de incidencia. hecho simple pero crucial. La luz es emitida Esto es necesario si una imagen n´ıtida se va o absorbida cuando un electr´o n cambia a formar. El elemento de difracci´on dobla el su o´ rbita dentro de un ´atomo individual. haz de luz. Si el haz se compone de muchos Debido a esto, el espectr´o metro es una colores diferentes, cada color se difracta a un herramienta poderosa para la investigaci´ on ´angulo diferente. de la estructura de los ´atomos. Es tambi´en una herramienta de gran alcance para El telescopio se puede girar para recoger la determinar qu´e ´atomos est´an presentes en luz difractada en ´angulos medidos con mucha una sustancia. Los qu´ımicos usan para precisi´on. Con el telescopio enfocado en el determinar los constituyentes de mol´eculas y infinito y colocado en un ´angulo para recoger los astr´ onomos lo utilizan para determinar la luz de un color particular, una imagen los constituyentes de estrellas que est´an a precisa de la hendidura del colimador puede millones de a˜ nos luz de distancia. ser visto. Por ejemplo, cuando el telescopio
Espectroscopia de emisi´on para algunos gases. est´a en un ´angulo de rotaci´on, el espectador puede ver una imagen roja de la hendidura, en otro ´angulo de una imagen verde, y as´ı sucesivamente.
3 Tubos que contienen diferentes gases Fuente
Mediante la rotaci´on del telescopio, las im´a genes de hendidura correspondientes a cada color constituyente puede ser visto y el ´angulo de difracci´ o n para cada imagen se pueden medir. Si se conocen las caracter´ısticas del elemento de difracci´on, estos ´angulos medidos se pueden usar para determinar las longitudes de onda que est´an presentes en la luz. Figura 3: Montaje experimental del Espectr´ometro
3.
PROCEDIMIENTO
3.1.
Montaje
Figura 4: Montaje experimental del Espectr´ometro Figura 2: Montaje experimental del Espectr´ometro
Colimador Telescopio Bases giratorias Tabla de espectrometr´ıa Rejilla de difracci´on
Al momento de tener finalmente el montaje armado es necesario realizar algunas calibraciones para luego comenzar a tomar medidas de los ´angulos. 1. Nivelaci´on del Espectr´o metro. El elemento de difracci´on debe estar correctamente alineado con los ejes ´opticos del telescopio y el colimador. Esto requiere que tanto el espectr´ometro y la tabla espectr´ometro est´en nivelados.
Espectroscopia de emisi´on para algunos gases.
4
2. Centrar el Espectr´ometro. Mientras se mira a trav´es del telescopio, se debe deslizar el ocular y verificar que el enfoque sea n´ıtido.
poder observar mucho mejor el haz de luz y as´ı extraer los ´angulos correspondientes. Los gases que se utilizaron son: Helio (He), Hidr´ogeno (H), Nitr´ogeno (N) y Ne´on (Ne). A continuaci´on se discriminan los ´angulos 3. Alineaci´on de la Rejilla. Para calcular observados para los diferentes gases y colores con precisi´on longitudes de onda sobre primarios en las siguientes tablas: la base de ´angulos de difracci´ o n, la ´ rejilla debe ser perpendicular a la viga Color Angulo grados de la luz del colimador. Es necesario 15, 2 V ioleta alinear y centrar el espectr´ometro. El V erde 17 telescopio debe estar justo enfrente del 20 Amarillo colimador con la ranura en un enfoque Rojo 22, 75 n´ıtido y alineado con la vertical del ret´ıculo. Tabla 1: Tabla de colores y a ´ngulos 4. Se gira el telescopio para encontrar una imagen de hendidura luminosa. Se alinea la vertical del ret´ıculo con el borde fijo de la imagen y se mide cuidadosamente el ´angulo de difracci´on. 5. La rejilla de difracci´on difracta la luz incidente en espectros id´enticos a cada lado de la l´ınea del haz no difractado. Se gira el telescopio hacia atr´a s, m´as all´a del ´a ngulo de difracci´o n cero, para encontrar la imagen de hendidura correspondiente. Se mide el ´angulo de difracci´ on de esta imagen. 6. Para hacer la lectura es necesario que la rejilla se encuentre alineada y no girar la mesa giratoria o su base de nuevo. ´ Angulos de difracci´on se miden como se describe en la secci´on anterior, ´angulos de difracci´on de medici´on.
4.
RESULTADOS
A pesar de que los tubos que conten´ıan los gases ten´ıan algunos escapes o no reaccionaban al someterlos a la diferencia de potencial, algunos tubos sirvieron para
para (He) a 2,7kV
Color
´ Angulo grados
V erde Rojo
17, 75 24, 5
´ngulos Tabla 2: Tabla de colores y a para (H) a 3kV
Color
´ Angulo grados
V ioleta V erde Amarillo Rojo
14, 5 17, 7 19, 8 22, 5
´ngulos Tabla 3: Tabla de colores y a para (N) a 2,7kV
Color
´ Angulo grados
V ioleta V erde Amarillo Rojo
16 18, 4 19, 9 22, 1
Tabla 4: Tabla de colores y a ´ngulos
para (Ne) a 0,6kV
Espectroscopia de emisi´on para algunos gases.
5
Calculando las longitudes de onda utilizando los datos anteriores para el Calculando las longitudes de onda Hidr´ogeno. utilizando los datos anteriores para el Helio. 4.1.
An´ alisis
a sin θ λ = n
λV erde = 1, 66 × 10
Para n = 1 la ecuaci´on anterior queda:
6
−
m
sin (17, 75 ) ◦
·
λV erde = 506 nm
λ = a sin θ
λRojo = 1, 66 × 10
λV ioleta = 1, 66 × 10
6
−
m
·
sin (15, 2 )
6
−
m
·
sin (24, 5 ) ◦
◦
λRojo = 688 nm
Realizando el mismo procedimiento para Calculando las longitudes de onda los otros datos utilizando los datos anteriores para el Nitr´ogeno.
λV ioleta = 1, 66 × 10
6
−
m
·
λV ioleta = 4, 352 × 10
(0, 2622) 7
−
m
6
−
m
·
6
−
m
·
sin (14, 5 ) ◦
λV ioleta = 416 nm
λV ioleta = 435 nm
λV erde = 1, 66 × 10
λV ioleta = 1, 66 × 10
λV erde = 1, 66 × 10
6
−
·
sin (17, 7 ) ◦
λV erde = 505 nm
sin (17 ) ◦
λAmarillo = 1, 66 × 10
λV erde = 485 nm
m
6
−
m
·
sin (19, 8 ) ◦
λAmarillo = 562 nm
λAmarillo = 1, 66 × 10
6
−
m
·
sin (20 ) ◦
λRojo = 1, 66 × 10
6
−
m
·
sin (22, 5 ) ◦
λAmarillo = 568 nm λRojo = 635 nm
λRojo = 1, 66 × 10
6
−
m
·
sin (22, 75 )
λRojo = 642 nm
◦
Calculando las longitudes de onda utilizando los datos anteriores para el Ne´on.
λV ioleta = 1, 66 × 10
6
−
m
·
sin (16 ) ◦
Espectroscopia de emisi´on para algunos gases.
6
λV ioleta = 458 nm
λV erde = 1, 66 × 10
6
−
m
·
λAmarillo = 565 nm
sin (18, 4 ) ◦
λRojo = 1, 66 × 10
λV erde = 524 nm
λAmarillo = 1, 66 × 10
5.
6
−
m
·
sin (19, 9 )
6
−
m
·
sin (22, 1 ) ◦
λRojo = 624 nm
◦
CONCLUSIONES
La siguiente tabla muestra los valores registrados en la literatura cient´ıfica para los gases usados en el experimento
Figura 5: Tabla de espectros
Gas
V ioleta
V erde
Amarillo
Rojo
Helio Hidr o´geno Nitr o´geno N eo´n
435 nm
485 nm 506 nm 505 nm 524 nm
568 nm
642 nm 688 nm 635 nm 624 nm
416 nm 458 nm
562 nm 565 nm
Tabla 5: Tabla de resultados
Para todos los gases los rangos de longitud de onda dan muy similar a los registrados en la literatura cient´ıfica a excepci´on del verde del ne´on el cual se encuentra por debajo de los 500 nm y en las medidas registr´o λV erde = 524 nm .
Espectroscopia de emisi´on para algunos gases.
6.
7
BIBLIOGRAF´ IA Tipler. P F´ısica moderna. Editorial Revert´e. pag 121-148 Im´agenes extraidas de (Instruction Manual and Experiment STUDENT SPECTROMETER) PASCO Scientific. Enero 1991