ESPECTROSCOPIA OBJETIVOS: Hacer un estudio cuantitativo y cualitativo de algunos espectros producidos por tuos llenos de un gas !"ercurio# $elio# nitr%geno e $idrogeno&' (ATERIA) * E+,IPO -uente de poder Tuos de gases Espectr%gra.o Re/illa ! con 011 divisiones por "il2"etro& )3"para •
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45ESARRO))O 45ESARRO))O TEORICO6
)a espectroscopia o espectroscopia es el estudio de la interacci%n entre la radiaci%n electro"agn7tica y la "ateria# con asorci%n o e"isi%n de energ2a radiante' Tiene aplicaciones en astrono"2a# .2sica# 8u2"ica y iolog2a# entre otras disciplinas cient2.icas'
Espectro de lu9 de una lla"a de alco$ol'
)u9 visile co"o parte del espectro electro"agn7tico' El an3lisis espectral se asa en detectar la asorci%n o e"isi%n de radiaci%n electro"agn7tica a ciertas longitudes de onda y se relacionan con los energ2a i"plicados en una transici%n cu3ntica' Eisten tres casos de interacci%n con la "ateria: ;' C$o8ue el3stico: eiste s%lo un ca"io en el i"pulso de los .otones' E/e"plos son los rayos <# la di.racci%n de electrones y la di.racci%n de neutrones'
=' C$o8ue inel3stico: por e/e"plo la espectroscopia Ra"an' 0' Asorci%n o e"isi%n resonante de .otones '
El "ecanis"o por el cual la "ateria e"ite radiaci%n electro"agn7tica es el do"inio de la espectroscopia' )a radiaci%n electro"agn7tica se atriuye a las di.erencias de energ2a en las transiciones de los electrones de unos niveles at%"icos a otros' )a espectroscopia se relaciona en la "ayor2a de los casos con la tercera interacci%n' Estudia en 8u7 .recuencia o longitud de onda una sustancia puede asorer o e"itir energ2a en .or"a de un cuanto de lu9' )a energ2a de un .ot%n !un cuanto de lu9& de una onda electro"agn7tica o su correspondiente .recuencia# e8uivale a la di.erencia de energ2a entre dos estados cu3nticos de la sustancia estudiada: ΔE =h∗v
5onde:
$>es la constante de Planc?# v> es la .recuencia del $a9 de lu9 u onda electro"agn7tica asociada a ese cuanto de lu9 y es la di.erencia de
energ2a' Esta ecuaci%n es conocida ta"i7n co"o la ecuaci%n 3sica de la espectroscopia' )as di.erencias de energ2a entre estados cu3nticos dependen de la co"posici%n ele"ental de la pruea o de la estructura de la "ol7cula# y por eso este "7todo proporciona in.or"aci%n i"portante para astr%no"os# .2sicos# 8u2"icos y i%logos' Por "edio de un espectro.ot%"etro se "ide el espectro de la lu9 !intensidad de la lu9 asorida# re.le/ada o e"itida en .unci%n de la .recuencia o de la longitud de onda&' )os espectros se di.erencian considerale"ente de ele"ento a ele"ento'
En general# se denota co"o espectro a la distriuci%n de la intensidad en .unci%n de la .recuencia o de la longitud de onda' Ade"3s de la lu9 visile# la espectroscopia cure $oy en d2a una gran parte del espectro electro"agn7tico# 8ue va de los in.rarro/os $asta los rayos ga""a' El o/etivo de la espectroscopia es otener in.or"aci%n acerca de una pruea o de un cuerpo radiante' Por e/e"plo: •
)a estructura interna o la te"peratura !por e/e"plo de estrellas&
•
)a co"posici%n o la cin7tica de una reacci%n 8u2"ica
•
)a espectroscopia anal2tica identi.ica 3to"os o "ol7culas por "edio de sus espectros
ORI@E )a lu9
visile es
.2sica"ente
id7ntica
a
todas
las radiaciones
electro"agn7ticas ' Es visile para nosotros por8ue nuestros o/os detectan esta estrec$a anda de radiaci%n del electro"agn7tico co"plet%' Esta anda es la radiaci%n do"inante 8ue e"ite el Sol' 5esde la antigedad# cient2.icos y .il%so.os $an especulado sore la naturale9a de la lu9' uestra co"prensi%n "oderna de la lu9 co"en9% con el eperi"ento del pris"a de Isaac eton# con el 8ue co"pro% 8ue cual8uier $a9 incidente de lu9 lanca# no necesaria"ente procedente del Sol# se desco"pone en el espectro del arco iris !del ro/o al violeta&' eton tuvo 8ue es.or9arse en de"ostrar 8ue los colores no eran introducidos por el pris"a# sino 8ue real"ente eran los constituyentes de la lu9 lanca' Posterior"ente# se pudo co"proar 8ue cada color correspond2a a un Dnico intervalo de .recuencias o longitudes de onda' En los siglos
espectroscopio inicial para descurir 8ue el espectro de la lu9 solar estaa dividido por una serie de l2neas oscuras# cuyas longitudes de onda se calcularon con etre"o cuidado' Por el contrario# la lu9 generada en laoratorio "ediante el calenta"iento de gases# "etales y sales "ostraa una serie de l2neas estrec$as# coloreadas y rillantes sore un .ondo oscuro' )a longitud de onda de cada una de estas andas era caracter2stica del ele"ento 8ue $a2a sido calentado' Por entonces# surgi% la idea de utili9ar estos espectros co"o $uella digital de los ele"entos oservados' A partir de ese "o"ento# se desarroll% una verdadera industria dedicada eclusiva"ente a la reali9aci%n de espectros de todos los ele"entos y co"puestos conocidos' Ta"i7n se descuri% 8ue si se calentaa un ele"ento lo su.iciente"ente !incandescente&# produc2a lu9 lanca continua# un espectro co"pleto de todos los colores# sin ningDn tipo de l2nea o anda oscura en su espectro' En poco tie"po lleg% el progreso: se pas% la lu9 incandescente de espectro continuo por una .ina pel2cula de un ele"ento elegido 8ue estaa a te"peratura "enor' El espectro resultante ten2a l2neas oscuras# id7nticas a las 8ue aparec2an en el espectro solar# precisa"ente en las .recuencias donde el ele"ento particular produc2a sus l2neas rillantes cuando se calentaa' Es decir# cada ele"ento e"ite y asore lu9 a ciertas .recuencias .i/as caracter2sticas del "is"o' )as l2neas oscuras de -raun$o.er# 8ue aparec2an en el espectro solar# son el resultado de la asorci%n de ciertas .recuencias caracter2sticas por los ele"entos presentes en las capas "3s eteriores de nuestra estrella !espectro de asorci%n&' ADn $a2a dudas: en ;F# en el espectro solar se detectaron l2neas 8ue no casaan con las de ningDn ele"ento conocido' 5e ello# los astr%no"os predi/eron la eistencia de un ele"ento nuevo# lla"ado $elio' En ;G se descuri% el $elio terrestre' 5e igual .or"a 8ue la teor2a universal de la gravitaci%n de eton pro% 8ue se pueden aplicar las "is"as leyes tanto en la super.icie de la Tierra co"o para de.inir las %ritas de los planetas# la espectroscopia de"ostr%
8ue eisten los "is"os ele"entos tanto en la Tierra co"o en el resto del ,niverso'
5ESARRO))O E
2 d senθ = λn
En donde despe/ando N la ecuaci%n 8ueda de la siguiente "anera
2 d senƟ
n
λ
=
en donde
d=
1 300
cm
y n>;#=#0#K#'
TAB)A 5E RES,)TA5OS e%n n ; = 0
Ɵ
Color A"arillo aran/a Ro/o
G ;1 ;;
λ ;'1G=;1 F 'F0;1 K K';K1;;1 K
itr%geno n ; = 0 K L
Ɵ
λ
F' G'= G' ;1 ;1'K ;;';
G'1K;1 K '0=G;1 K 0'F=;1 K ='GK;1 K ='K1LK;1 K =';0G;;1 0
Color (orado Verde Verdea"arillo A"arillo aran/a violeta
Helio n ; = 0 K
Color (orado A9ul A9ulverde A"arillo Ro/o
Ɵ
F'L ' ;1 ;;'
λ ';F;1 K K'L0G;;1 K 0'KFL;1 K ='F1F;1 K =';;1 K
(ercurio n ; =
Color Violeta Verdepasto
Ɵ
F
λ ';=K;1 K K'L0G;1 K
0 K
Verde .os.orescente A"arillo Ro/o
G G' ;1
0'GFL;1 K ='F1;1 K ='0;;1 K
COC),SIO En conclusi%n pode"os decir 8ue esta pr3ctica .ue de gran ayuda ya 8ue gracias a esta pudi"os entender con "ayor claridad el e.ecto de la espectroscopia en los di.erentes gases co"o el neon#"ercurio#nitr%geno y $elio en donde oserva"os sus di.erentes colores de espectrales con sus di.erentes 3ngulos y 8ue pudi"os calcular el valor de la ʎ de cada una de los colores gracias a la regla de ragg en donde a "i parecer salieron unos resultados algo raros y creo 8ue esta pr3ctica posile"ente nos pueda servir en una etapa de nuestra carrera si nos dedica"os algo 8ue tenga 8ue ver con los .en%"enos espectrales'
BIB)IO@RA-IA
;' B' ' S$ore# 5' H' (en9el# Principles o. ato"ic spectra# iley# ;GL' =' =' CRC Handoo? o. C$e"istry and P$ysics# CRC Press: Boca Raton# -) # =11;'
0' R' Eiserg -unda"entos de .2sica "oderna' iley# =11;'
K' H' Ha?en and H' ol.# T$e P$ysics o. Ato"s and +uanta# Springer ;GGK'
' 5a Piedade et al# 4A Procedure to Otain t$e E..ective uclear C$arge .ro" t$e Ato"ic Spectru" o. Sodiu"6# J' C$e"' Ed' FL# ;=LG;=F; !;GGG&
