DISPERSIÓN - ESPECTRÓMETRO DE PRISMA

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1 DISPERSIÓN - ESPECTRÓMETRO DE PRISMA OBJETIVOS Invstigación d la rgión visibl dl spctro dl átomo d Hidrógno y dtrminación d la constant d Ridbrg. Calibración d la scala dl spctrómtro d prisma. Dtrminación d la curva d disprsión dl spctrómtro. INTRODUCCIÓN La spctroscopia s la rama d la física qu studia la intracción ntr la radiación lctromagnética y la matria. Ésta s una técnica muy mplada n la química y la física para studiar las propidads d la sustancia. El spctro caractrístico d una sustancia dada s único y propio solo d lla, por so podmos dcir qu l spctro d una mustra s como la hulla dactilar d sta qu la difrncia d las dmás. Existn varias técnicas spctroscópicas qu s difrncian n principio por l método utilizado, la rgión d frcuncias n qu s dsarrolla, l tipo d funt d radiación mplado, l tipo d mustra, las intraccions qu tinn lugar, tc, tc. Utilizando un spctrómtro d prisma qu trabaj n la rgión visibl s pud hacr spctroscopia d misión. Un spctrómtro óptico s utiliza para dscomponr (ANALIZAR) un haz d luz incidnt n sus rspctivas frcuncias o longituds d onda qu la componn. Est dispositivo spctral prmit visualizar cada una d las línas spctrals componnts d cirta radiación lctromagnética visibl y mdir su rspctiva longitud d onda. Un lmnto atómico gasoso a baja prsión sujto a una dscarga léctrica produc un spctro d misión discrto o d línas. Dbido a qu cada lmnto atómico mit su propio spctro caractrístico (único) y qu no xistn dos lmntos qu mitan las mismas línas spctrals; sta caractrística s utiliza para idntificar los lmntos prsnts n mustras dsconocidas. Para l studio d algunos spctros atómicos podmos utilizar los tubos spctrals. Los tubos spctrals continn uno o más lmntos gasosos atómicos o molculars a baja prsión. La nrgía s l suministra a través d un campo léctrico aplicado a los lctrodos d los tubos. Los ions y lctrons son aclrados por l campo; las colisions convirtn la nrgía cinética adquirida n otros tipos d nrgía, sindo la nrgía lctrónica una d llas. Los lctrons n los átomos xcitados ocupan uno d los muchos stados d nrgía prmitidos, qu son dtrminados por las lys d la física cuántica. Cada spci atómica xcitada mit las longituds d onda caractrísticas dtrminadas por las difrncias ntr los nivls d nrgía prsnts n tal spci (átomo o molécula). El análisis con un spctrómtro d prisma rvlará una sri d línas d misión d colors (monocromáticos) furts y nítidos. Estas línas con su rspctiva longitud d onda caractrizan a cada spci atómica. MARCO TEÓRICO Sgún la toría cuántica las sustancias no pudn absorbr o mitir radiación lctromagnética n forma continua sino n forma discrta, n porcions o cuantos d campo lctromagnético llamados fotons; n otras palabras s dic qu la nrgía stá cuantizada, y pud tomar los siguints valors d nrgía:

2 5 dond: E n m Z = ( n =,,... h n ), () n Estado nrgético dl átomo, m la masa dl lctrón, s la carga dl lctrón, h s la constant d Planck, y n s l númro cuántico principal. Cuando un fotón s mitido por un átomo xcitado, l lctrón raliza una transición radiativa dsd un stado d mayor nrgía a otro d mnor nrgía. El spctro d misión d una sustancia dada s una caractrística muy important, qu prmit dtrminar la composición fisicoquímica y algunas caractrísticas d la structura y las propidads d los átomos y las moléculas. Los átomos gasosos (H, H) a baja prsión s pudn considrar como átomos aislados o n stado libr qu al xcitarlos mitn un spctro d línas discrto, compusto por un grupo d línas spctrals sparadas, llamadas sris spctrals. El spctro más simpl s l dl átomo d Hidrógno. En una transición radiativa o d misión d radiación, la nrgía dl fotón, s l ngativo d la prdida d nrgía dl lctrón o sa: m E = E = f E = hω, () i h n n f i d dond s dsprnd qu: m = ω = R, () h n n f i n n f i dond ω s la frcuncia angular, m la masa dl lctrón, s la carga dl lctrón, h s la constant d Planck, R la constant d Rydbrg, y n s l númro cuántico principal (,,,..). Las longituds d onda d las línas spctrals s dtrminan por la formula d Balmr Rithz. = R λ n n En la cual: λ - Longitud d onda d la lína spctral, R Constant d Rydbrg, n Estado nrgético dl átomo al cual s raliza la transición dl lctrón dspués d la misión, n - Númro dl nivl atómico dsd l cual s raliza la transición dl lctrón n la misión d la radiación lctromagnética. El spctro más simpl s l dl átomo d Hidrógno. Las longituds d onda d sus línas spctrals s dtrminan por la formula d Balmr Rithz (). A cada sri dl spctro dl átomo d H l corrspond un dtrminado valor dl numro n. Al valor d n pud tnr una sri d númros ntros qu van dsd n + hasta +. Las sris dl átomo d Hidrógno más importants son: Sri n n Rgión dl E.E.M Lyman,,... Ultraviolta ( U.V ) Balmr,,5... Visibl ( VIS ) Pashn, 5, 6. Infrarroja ( I.R ) Braktt 5,6,7... Infrarroja ( I.R ) Pfund 5 6,7,8... Infrarroja ( I.R ) Dbido a qu n l prsnt laboratorio studiarmos l spctro d misión visibl dl átomo d Hidrógno l cual sta compusto por las cuatro primras línas d la sri d Balmr, llas son: H α - Lína Roja (transición d n = hasta n = ) H β - Lína Azul Clst (transición d n = hasta n = ). ()

3 6 Hγ - Lína Clst (transición d n =5 hasta n = ). H δ - Lína Violta (transición d n =6 hasta n = ) Entoncs tnmos qu la formula () para las longituds d onda d las línas visibls dl mrcurio s scrib así: λ α, β, γ, δ = R ; ( n n =,,5,6 ) (`) DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE Y EQUIPAMIENTO La obsrvación d las línas spctrals y la mdición d las longituds d onda s ralizara con ayuda dl spctrómtro d prisma con óptica d vidrio. Las funts d radiación n sta práctica son los tubos spctrals d dscarga a baja prsión d los gass d Hlio Hidrógno n stado atómico. Los tubos posn forma capilar n l cntro, dond s produc la lctroluminiscncia más intnsa cuando ocurr la dscarga léctrica. Los tubos s dbn ncndr solo n l transcurso dl timpo n qu s va a rgistrar la obsrvación d las difrnts línas spctrals, no djarlo mucho timpo ncndido porqu la intnsidad d la luminiscncia dl tubo disminuy con l trabajo prolongado. Las tablas d las longituds d onda dl H y dl H s dan al final. Tara Nº. Calibración dl aparato spctral. EQUIPO REQUERIDO Espctrómtro d prisma Tubo spctral d Hlio Tubo spctral d Hidrógno Carrt d inducción d Rumkorff o bobina d Inducción (6V) Lámpara incandscnt 6V Cabls con bananas Funt d Podr 0-0 V Computador con Data Studio. La funt d radiación mplada (H) s dispon al frnt d la rndija d ntrada dl spctrómtro, la radiación ntrant pasa a través d un sistma colimador - prisma disprsor, al ntrar n l sistma disprsor (prisma), la luz s dscompon n sus rspctivas componnts spctrals monocromáticas, las cuals saln dl prisma formando ángulos difrnts dbido a la disprsión sufrida todas las componnts s rfractan d difrnt forma, obtniéndos así l spctro d la funt a la ntrada dl aparato spctral, l cual s pud visualizar con ayuda d un sistma tlscópico d obsrvación qu pud girar con rspcto al j vrtical. A través dl tlscopio s pud divisar la proycción d la scala d una rglilla sobr l spctro d línas, stas divisions s pudn utilizar para caractrizar l prisma d disprsión, sin st procdiminto sria imposibl hacr las rspctivas mdicions d la longitud d onda d cada componnt spctral.. S dispon l spctrofotómtro sobr una msa firm y s nivla dé tal forma qu ustd puda ajustar la altura d las funts d radiación.

4 7. Conct la funt d podr 0-6 V a la ntrada dl carrt d inducción (6V), y la salida d alta tnsión dl carrt conéctla a los lctrodos dl tubo spctral d H o H.. Encinda la funt d podr qu alimntará al carrt d inducción qu a la vz alimntará al tubo spctral, dj qu l tubo spctral s calint unos minutos ants d comnzar a obsrvar los spctros. 5. Dspués d visualizar los spctros procda a la calibración dl sistma spctral para lo cual ralic las siguints opracions: a. Conct l tubo d Hlio a la funt d alimntación d alto voltaj (Bobina d inducción). b. Lugo ncinda la funt d podr qu alimnta la lámpara d iluminación d la scala. c. Obsrv la posición d cada lína spctral sobr l fondo d la scala graduada tom nota d la posición y l color d la lína y rvis la tabla d las línas spctrals su color y longitud d onda dadas aquí. d. Lln la siguint Tabla d datos para l Hlio: Nº Color Lína λ (nm) Intnsidad Para-OrtoH Posición (cm) Roja 78, P Roja 706,5 5 O Roja 667,8 6 P Amarilla 587,6 0 O 5 Vrd 50,6 0 P 6 Vrd 9, P 7 Clst 7, O 8 Azul 7, 6 O 9 Azul 8,8 P 0 Violta, O Violta 0,6 5 O. Con los datos obtnidos, ralic un grafico d Posición d la lína spctral mdida n la scala contra longitud d onda n nm. (Utilic l programa Dato Studio). f. Con ayuda dl programa DataStudio hall la curva qu mjor ajust los datos xprimntals n la grafica obtnida. g. Copi la Gráfica, las tablas, y la cuación dada llévlas al inform d laboratorio final y saqu conclusions sobr llas. El grafico obtnido lo dnominarmos Gráfico d calibración o d las caractrísticas rfractivas dl matrial dl prisma, con bas n ésta s mdirán las longituds d onda dl spctro dl Hidrógno. Est gráfico d calibración ralizado con l spctro dl Hlio s adcuado pusto qu l s xtind por todas las longituds d onda dl spctro visibl dsd los 00 hasta los 700 nm. Como s pud obsrvar n la gráfica obtnida d posición contra longitud d onda, qu n principio xprsa la dpndncia dl índic d rfracción dl prisma utilizado n función d la longitud d onda, l coficint d rfracción pos difrnts valors para las difrnts longituds d onda; por lo tanto la disprsión dl aparato también s difrnt para los difrnts intrvalos dl spctro. Tara Nº. Mdición d la constant d Rydbrg. a. Sin movr l montaj antrior, cambi l tubo d H por l tubo d Hidrogno. b. Conct l tubo d Hidrogno a la funt d alimntación d alta tnsión. c. Lugo ncinda la funt d podr qu alimnta la lámpara d iluminación d la scala.

5 8 d. Obsrv la posición d cada lína spctral dl H sobr l fondo d la scala graduada tom nota d la posición y l color d la lína.. Lln la siguint Tabla d datos para l Hidrógno. f. g. h. i. j. k. l. m. Nº Color Lína λ (nm) To Posición λ (nm) Exp % Error Roja 656. Vrd Azul Violta I Violta II Violta III Con ayuda dl programa DataStudio y la curva ajustada hall la Posición d cada lína spctral mdida n la scala dl spctrómtro y ncuntr la longitud d onda rspctiva para cada color. Con ayuda d la formula () calcul la nrgía para los primros 6 nivls prmitidos dl átomo d H. Con ayuda d la formula (5) calcul la difrncia d nrgías para las primras 6 transicions prmitidas d la sri d Balmr para l átomo d H. Encuntr la nrgía para cada nivl d nrgía dl átomo d H n Jouls y n lctronvoltios. Calcul con ayuda d la formula (7) las posibls nrgías d los fotons mitidos para cada una d las línas visibls dl hidrógno, diga a qu transicions corrspond cada una d llas y su color. Con ayuda d la formula (7) calcul las frcuncias para cada lína spctral. Para cada lína dl H calcul la constant d Plank, hall promdio y % Error. Compar los valors xprimntals d λ, y d la constant d Ridbrg R con los valors tóricos, Hall l rror rlativo. n. Lln la siguint tabla. n Ε ( ) Ε (Balmr) ƒ ( ) λ ( ) % Error R ( ) % Error 5 6. Como s podrían utilizar los datos obtnidos para l spctro dl H para calcular la constant d Plank?. Qu información podmos obtnr d los spctros d los átomos?. Cómo cr ustd qu dbn sr los spctros d las moléculas?. Qu otro tipo d spctros xistn? 5. Qu aplicacions tin la spctroscopia? OBSERVACIONES CONCLUSIONES