ÓPTICA (ESPECTRÓMETRO DE REJILLA)

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ÓPTICA (ESPECTRÓMETRO DE REJILLA) OBJETIVOS:    

Ajuste del espectrómetro de rejilla Medición de un espectro de líneas Identificación de la fuente de luz medida Determinación de la distancia de sendas de líneas D amarillas de sodio

MARCO TEÓRICO: Los metales nobles y los vapores metálicos excitados para generar luz emiten líneas espectrales, o sea, una determinada cantidad de longitudes de onda que son características del elemento en cuestión. La medición exacta de las longitudes de onda permite realizar aseveraciones sobre las fuentes de luz .Con una rejilla de difracción es posible separar las líneas espectrales. En dicha rejilla la luz sufre difracción, los haces de una longitud de onda se superponen y producen claros máximos de intensidad. La luz de onda larga es difractada más fuertemente que la de onda corta. La luz entra en el espectrómetro de red de forma divergente a través de su rendija vertical S, de altura y ancho variables, e incide en el objetivo O1, que se encuentra en la distancia focal de la rendija (ver figura 1). La rendija y el objetivo juntos forman un colimador. Detrás del objetivo, la luz llega como un conjunto de haces paralelos hasta la red G, esto es, todos los haces inciden con el mismo ángulo en la red. La luz es difractada por la red de forma que cada longitud de onda es desviada de manera distinta.

Finalmente, mediante un segundo objetivo O2, todos los haces paralelos de una longitud de onda confluyen en una imagen de la rendija S sobre el plano focal del objetivo. En el plano focal surge un espectro tan puro que puede ser observado con el ocular O´. El objetivo O2 y el ocular O´ forman juntos un telescopio astronómico enfocado al infinito. A fin de medir el ángulo de desviación, el telescopio es solidario a un brazo giratorio. Girando el telescopio se enfoca hacia las distintas líneas espectrales un retículo, que se encuentra en el plano focal del ocular. Para medir los ángulos y, de este modo, la posición relativa de cada línea, se registra sobre un goniómetro la posición del telescopio sobre un semidisco con

INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA una escala dividida en intervalos de 0,5°. Mediante un nonio puede leerse la posición con precisión de un minuto. La difracción está en relación lineal con la longitud de onda (sin α ~ λ del espectro normal). Para que las longitudes de onda de una fuente de luz desconocida puedan asociarse a las desviaciones que provoca la red, el aparato, a diferencia del espectrómetro de prisma (espectro de dispersión), no debe ser calibrado. Contando con las desviaciones de cada línea espectral de una fuente de luz desconocida pueden calcularse las longitudes de onda correspondientes. En base a ellas puede luego determinarse, por comparación con valores de tabla adecuados, la fuente de luz. AJUSTE DEL ESPECTRÓMETRO Para poder realizar mediciones precisas, el espectrómetro debe ser ajustado con cuidado. La rendija y la retícula deben hallarse en el plano focal de los objetivos correspondientes (marcha telescópica del haz).

La rendija y la retícula deben correr paralelas al eje de rotación del telescopio. Oscurecer un poco el ambiente facilita algunos pasos del trabajo de ajuste así como la medición de las líneas espectrales. AJUSTE PREVIO: La inclinación de la mesa de prisma puede modificarse sólo dentro de ciertos límites. A fin de contar con más espacio para realizar el ajuste fino, esta mesa debe disponerse lo más horizontalmente posible (para controlar esto puede usarse sencillamente la vista). − Emplazar horizontalmente el telescopio (a), la mesa de prisma (c) y el colimador (e). Bastará hacerlo a simple vista (ver figura 2).

INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA − Centrar el telescopio y el colimador con los tornillos de ajuste del desplazamiento lateral (b), (d) y luego afirmar. No aflojar demasiado estos tornillos, ya que sirven para afirmar la posición del telescopio y el colimador. REALIZACIÓN Indicación: El espectrómetro trae dos nonios enfrentados entre sí. Para disminuir los errores de lectura y, eventualmente, compensar la excentricidad de la división del círculo contra el eje de rotación, hallar un valor medio de ambas lecturas. a) Medición del espectro de líneas del He:  Accionar el tornillo de seguridad del telescopio (f4) y enfocar la parte vertical del retículo mediante el ajuste fino de la rotación del telescopio (f3), sucesivamente, hacia cada línea espectral del mismo orden de difracción a ambos lados del máximo principal. Con ayuda de las lupas de lectura (f6) y de ambos nonios (f5), leer las correspondientes posiciones del telescopio sobre el disco graduado, y anotarlas. b) Determinación de la distancia de sendas líneas D del sodio:  Cambiar la lámpara espectral de He por la de Na; al iluminar la rendija prestar nuevamente atención a que la lámpara se encuentre en el eje óptico del colimador.  Buscar el primer orden de difracción de ambas líneas D amarillas de Na a ambos lados del máximo principal.  Enfocar la parte vertical del retículo hacia las líneas espectrales; leer y anotar las posiciones.  Repetir las mediciones para el segundo orden de difracción.

INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA PROCEDIMIENTO:  Armar el equipo de acuerdo al esquema.  Indicación: Con el espectrómetro de rejilla pueden observarse también líneas de menor intensidad que no pertenecen al espectro del vapor metálico o al del gas noble.  Determinación de la distancia de sendas líneas D del sodio

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INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA ENCERAR Y EMPEZAR LAS MEDICIONES

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TRABAJOS 1. Determinar ∆α y el color que le corresponde COLOR Morado violeta Verde azul Verde brilloso amarillo rojo

∆α 30.5 31.7 32.8 37.7 40.5 46.2

2. Determinar el ángulo de línea D: que es igual a 44 grados 3. Colocar imágenes de la franja de color de la longitud de onda de una lámpara de sodio

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Fig1.) Imagen del espectro de una lámpara de sodio obtenido con el espectrómetro

INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA CALIBRANDO EL ESPECTRO DE UNA LÁMPARA DE SODIO Los espectros podían ser calibrados y así conocer la longitud de onda de las señales, si se disponía de un espectro de referencia o se podían reconocer al menos dos señales en el mismo.

FIGURA 1: LÁMPARA DE SODIO DE PRESIÓN BAJA

FIGURA 2: LÁMPARA DE SODIO DE PRESIÓN MEDIA

FIGURA 3: LÁMPARA DE SODIO DE PRESIÓN ALTA

INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA De estos espectros se observa que las señales a 515 y 498.2 nm son apropiadas para la calibración pues son picos agudos, de intensidad importante y aparecen en los tres tipos de lámparas lo que permite suponer que deberían estar presentes en el espectro medido. Efectivamente estas dos señales se pueden identificar en nuestro espectro, que incluso muestra la forma general del de una lámpara de sodio de alta presión (Figua 4).

FIGURA 4: ESPECTRO DE LÁMPARA DE SODIO MEDIDO CON ESPECTROSCOPIO SIN CALIBRAR Como se puede ver, la estructura general del espectro obtenido presenta la forma general del espectro que sería de esperar para una lámpara de vapor de sodio de alta presión (Figura 6),

FIGURA 6: EJEMPLO INDEPENDIENTE DE ESPECTRO DE LÁMPARA DE SODIO MEDIDO CON ESPECTROSCOPIO

INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA ANÁLSIS DEL ESPECTRO De esta forma, vamos a tratar de correlacionar las longitudes de onda registradas con la presencia de elementos determinados. Por supuesto que al ser la lámpara en estudio una de vapor de sodio, debería verse en primer lugar señales de sodio en forma de un pico muy importante alrededor de 589 nm, la conocida banda D del sodio (en realidad un par de picos muy cercanos). Sin embargo en lugar de un pico de emisión, alrededor de 589 nm se observa un valle. Igual comportamiento se puede ver en los espectros de referencia para lámparas de alta y media presión (Figuras 2 y 3) pero no para la de baja presión. Esto se explica por un fenómeno conocido como autoabsorción que se da cuando un átomo emite en una atmósfera muy concentrada del mismo, que es precisamente el caso en las lámparas de presión alta o media. Ya que la población de átomos en el estado base (no excitado) es generalmente mayor que la población excitada (la que está emitiendo) y puesto que los átomos no excitados pueden absorber la misma radiación que emiten los átomos excitados (radiación de resonancia) se da una disminución de la banda de resonancia, que en el caso del sodio es precisamente la banda D que es la que se observa disminuir en nuestra lámpara. No obstante lo anterior es posible observar otra señal de emisión característica para el sodio que es el pico centrado alrededor de 568 nm que debería observarse como un doblete delgado (568.8 y 568.2 nm) pero que por efecto de la temperatura sufre ensanchamiento térmico. Se observan además picos de emisión a 437, 546 y 616 nm que corresponden con tres de los cuatro picos principales de emisión en la región visible del mercurio (435.5, 545.8 y 615.4 nm), lo que está en conformidad con la construcción típica de una lámpara de alta presión de vapor de sodio, en cuya atmósfera no solo hay sodio sino también mercurio y algún gas noble. Quedan mas bandas sin identificar que podrían ser debidas al material de los electrodos, que son construidos normalmente con materiales cerámicos especiales que contienen bario, calcio y tungsteno 4. Que son las líneas del sodio El espectro del Sodio está dominado por el brillante doblete conocido como líneas D del Sodio a 588,9950 y 589,5924 nanómetros. La línea a 589,0 tiene dos veces la intensidad de la línea a 589,6 nm. Tomando el rango de 400-700nm como el rango visible nominal, la línea mas fuerte visible distinta de las líneas D, es la línea a 568,8205, la cual tiene una intensidad de alrededor del 0,7% de la línea mas fuerte. Todas las demás líneas son de un factor de dos o más veces mas tenues que la anterior, de modo que para casos prácticos, toda la luminosidad del sodio, proviene de las líneas D.

La ilustración muestra el patrón de interferencia formado por el doblete de Sodio en un interferómetro de Fabry-Perot.

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CONCLUSIONES 

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Los resultados señalan que los átomos muestran líneas en los espectros de emisión y absorción y que estos dependen del material de la lámpara para poder observar sus cambios en los dobletes e imágenes de cada color mostrados en el espectro. la población de átomos en el estado base (no excitado) es generalmente mayor que la población excitada (la que está emitiendo) y puesto que los átomos no excitados pueden absorber la misma radiación que emiten los átomos excitados (radiación de resonancia) se da una disminución de la banda de resonancia (banda D). Correlacionar las longitudes de onda larga difractada registradas con la presencia de elementos determinados en tablas. Verificamos las medidas con los datos tomados, calculamos el error y calculamos la longitud de onda comprobamos los ángulos y tenemos los valores reales de las longitudes de onda. Se verifica y conoce un fenómeno conocido como autoabsorción que se da cuando un átomo emite en una atmósfera muy concentrada del mismo, que es ocurre en el caso de las lámparas de presión alta o media. Quedan mas bandas sin identificar que podrían ser debidas al material de los electrodos, que son construidos normalmente con materiales cerámicos especiales que contienen bario, calcio y tungsteno

BIBLIOGRAFIA  

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