Guías de Prácticas de Laboratorio

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1 Guías de Prácticas de Laboratorio Laboratorio de: (5) FÍSICA OPTICA Y ACUSTICA Número de Páginas: () 9 Titulo de la Práctica de Laboratorio: (6) Identificación: (1) Revisión No.: (3) 0 Fecha Emisión: (4) 011/08/31 Elaborado por: (7) JAIRO BAUTISTA MESA. Revisado por: (8) Sandra Magaly Medina Araujo Aprobado por: (9) Comité Departamento de Física Pagina 1 de 9

2 Control de Cambios Razones del Cambio Cambio a la Revisión # Fecha de emisión Guía de práctica de laboratorio 0 30/11/17 inicial Pagina de 9

3 1. FACULTAD O UNIDAD ACADÉMICA: (11) Facultad de Ciencias Básicas y Aplicadas. Departamento de Física. PROGRAMA: (1) Ingeniería en Multimedia. 3. ASIGNATURA: (13) Laboratorio de Física Óptica y Acústica. 4. SEMESTRE: (14) Cuarto. 5. OBJETIVOS: (15) Observar los espectros luminosos de los átomos. Clasificar los diferentes espectros atómicos. Conocer los implementos que permiten el estudio de los espectros atómicos. Medir la longitud de onda de las líneas Hα, Hβ y Hγ del Hidrógeno. Medir el ancho de banda del espectro visible. 6. COMPETENCIAS A DESARROLLAR: (16) Reconocer las características básicas de los espectros luminosos emitidos por los átomos. Clasificar los espectros luminosos por la forma y naturaleza. Medir longitudes de ondas de luz. Iniciar la capacitación en metrología dimensional de alta resolución. 7. MARCO TEORICO: (17) Cada átomo tiene un espectro característico. Un espectro es una representación gráfica de las intensidades de las radiaciones emitidas por una fuente luminosa. Si la fuente luminosa es una fuente incandescente, el espectro que se observa es continuo cuyos colores van del rojo hasta el violeta. Si el foco luminoso es un átomo excitado, el resultado es un espectro atómico que se caracteriza por ser un espectro discontinuo. Esto quiere decir que está formado por una serie de líneas espectrales y unas zonas negras. Cuando la luz se pasa a través de una rejilla de difracción, se produce un espectro, y el tipo de espectro que se observa, dependerá de qué clase de objeto está produciendo la luz: Es un gas denso o de baja densidad, es un cuerpo caliente o frío, es un gas o un sólido? El espectro del átomo de hidrogeno es relativamente sencillo. En la fotografía 1 se ilustra aquella parte del espectro del Hidrógeno que se encuentra dentro del intervalo de longitud de onda de la luz visible. Se ve que la distancia, en longitud de onda entre dos líneas contiguas decrece al disminuir la longitud de onda de las líneas, de modo que la serie de las líneas converge al límite de la serie que se encuentra en 364 nm. En la ecuación 1, n tiende a infinito. La regularidad que ofrece el espectro del hidrogeno, permitió buscar una fórmula empírica que represente la longitud de onda de las líneas. Balmer (1885) halló esta fórmula: Pagina 3 de 9

4 n 364,6 nm (1) n - Donde n = 3 para Hα, n = 4 para Hβ, n = 5 para Hγ etc. Fotografía z.1. Espectro de emisión del átomo de hidrógeno. Fotografia 1. Espectro Hidrógeno. Teóricamente, aplicando los postulados de Bohr, la energía total del átomo resulta ser: x10 1,6x ,05x MK e 9,1x10 En - - n n En esta ecuación, M es la masa del electrón, K la constante de Coulomb, e la carga eléctrica del electrón y ħ constante de Dirac. El numero n se conoce como número cuántico principal, numero entero que varía como 0, 1,,.. dando como resultado que el valor de En sea discreto y no continuo. Esto se conoce como cuantizacion de la energía y la física que de esto trata, Física Cuántica. Haciendo la conversión de energía en julios a electronvoltios se obtiene: 13,6 ev n - () n E La representación de valores en esta ecuación por niveles (número n) se conoce como diagrama de niveles de Energía. Figura (z.1). En las transiciones de n mayor a n menor, el átomo emite energía. Ejemplo: Si el estado inicial es 3 y el estado final, la frecuencia del fotón emitido es: f Hα Hβ H γ límite ,1x10 9x10 1,6x ,05x J 1 - Hz 4,55x10 3 La longitud de onda correspondiente a esta frecuencia es: 14 Hz Pagina 4 de 9

5 c f 8 3x10 4,55x10 14 m 658,3 nm Esta longitud de onda corresponde a luz roja y es la línea Hα, serie de Balmer. E(eV) 0 n = - 0,84-1,51 Paschen n = 4 n = 3 Hα Hβ Hγ Hδ - 3,4 B a l m e r n = - 13,6 Lyman n = 1 Figura 1. Series espectrales en el átomo de Hidrógeno modelo de Bohr. 8. MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS, SOFTWARE, HARDWARE O EQUIPOS: (18) Fuentes incandescentes (de filamento y tubos de descarga). Colimador Rejilla de difracción. Medio de registro, cámara fotográfica digital, cámara de celular, pantalla(ojo). 9. PRECAUCIONES CON LOS MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS UTILIZAR: (19) Los tubos de descarga son elementos muy delicados. Si reciben golpes o sobre cargas de voltaje, estos se dañan y/o estallan. El hidrógeno resiste hasta 80 kv y el neón 9 kv. Si las fuentes se mantienen activas mucho tiempo, el sobrecalentamiento puede producir quemaduras para el operario o el agotamiento rápido de los gases en los tubos de descarga. Pagina 5 de 9

6 10. CAMPO DE APLICACIÓN: (0) Esto de los espectros atómicos tiene una aplicación en el campo de la Espectroscopia. Teóricamente, en principio sirve para responder la pregunta: Qué es la luz? 11. PROCEDIMIENTO, METODO O ACTIVIDADES: (1) La figura muestra un montaje que se emplea en la medida del espectro atómico. La fuente emisora de luz, consiste en un tubo capilar donde hay un gas monoatómico (a analizar) mezclado con un gas noble. Sobre los electrodos del tubo capilar se hace una descarga eléctrica en kv. En virtud de las colisiones con los electrones y los átomos entre sí, algunos de ellos adquieren energía total que es mayor que la del átomo en su estado normal. Al regresar a su estado normal, los átomos ceden el exceso de energía emitiendo radiación electromagnética, la cual se direcciona por una pantalla oscura que tiene una rendija ancha (colimador) por donde pasa la luz que incidirá sobre la rejilla de difracción. La rejilla de difracción descompone la luz a analizar en sus componentes espectrales y se registra en la cámara o se analiza con ojo humano. Cámara, celular, placa.. Luz a analizar Espectro de difracción de orden 1 Rejilla de difracción Fuente de luz Colimador Figura. Espectrómetro. Este es un laboratorio en el que la observación es su mayor herramienta. Se toma el marco donde está la rejilla y se mira a través de ella (difracción por trasmisión), o se mira en la rejilla la luz difractada (difracción por trasmisión). Primero que todo se observa el espectro de luz que emiten varias fuentes de luz: Bombillo de filamento. Lámparas del techo del salón. Pagina 6 de 9

7 Vela. Se recomienda oscurecer el salón. Un ayudante espolvorea sal sobre la llama. Anotar las observaciones para después hacer explicaciones. Qué sucederá con azúcar? Espectros de rayas. Ahora se pasará al montaje que permite hacer mediciones. Se emplea la fuente de alto voltaje VDC. Se trabajará con los tubos de descarga con gases hidrógeno, mercurio, neón, argón, nitrógeno y dióxido de carbono. Figura 3. Durante el proceso de observación se toman fotos de los espectros observados con el fin de ser analizados. D Tubo con gas excitado Ɵ regla Rejilla de difracción Guía que se ubica en la posición en la que se ve una línea espectral Figura 3. Espectrómetro de rejilla de difracción. Frente al tubo de descarga y a una distancia D se coloca la rejilla de difracción y detrás de ella, el ojo del experimentador o la cámara fotográfica. A un costado del tubo de descarga va la regla con una guía para ubicar cada línea espectral. Al activar la fuente VDC, a través de la rejilla se observa el espectro de emisión de rayas del gas excitado. Se mide con el espectro de orden 1. Con la guía de la regla se ubica cada raya observable. Con estas observaciones se elabora la tabla de datos 1. d = Tabla 1. Rejilla f = 100 líneas/mm d = Rejilla f = 300 líneas/mm Raya (color) y(cm) D(cm) y(cm) D(cm) Roja Azul Azul violeta Se puede medir las longitudes de onda de las líneas que aparecen para cada gas. Además, para el Hidrógeno se pueden tomar datos para las líneas roja, azules y violeta. Pagina 7 de 9

8 La ecuación a trabajar es la ecuación para la difracción por rejilla: d sen Ɵ = m λ (3) 1. RESULTADOS ESPERADOS: () Se observan y clasifican los diferentes espectros. El espectro es emitido por cualquier objeto que irradie calor (es decir, que tenga una temperatura distinta de cero absoluto T = -73 grados Celsius). Espectro de emisión. El espectro de emisión tiene lugar cuando los átomos y las moléculas en un gas caliente emiten luz a determinadas longitudes de onda, produciendo por lo tanto líneas brillantes. Fotografía. Espectro de absorción. Cuando se observa un espectro luminoso, y se ven unas líneas oscuras, estas líneas aparecen porque parte de la luz se absorbe a ciertas longitudes de onda, lo que hace que su intensidad disminuya con respecto al resto de las longitudes de onda. Como la distribución de las líneas espectrales es característica de cada átomo o molécula, el estudio del espectro de absorción puede indicar de qué elementos está compuesta la muestra a la que se le observa el espectro luminoso. Espectro continuo. Cuando su luz es dispersada aparece una banda continua con algo de radiación a todas las longitudes de onda. Por ejemplo, cuando la luz de un bombillo pasa a través de una rejilla de difracción, su luz se dispersa formando el arco iris (donde cada franja de color corresponde a un rango de longitudes de onda diferente). Fotografía. Espectro de orden uno de emisión, continuo de una fuente luminosa incandescente (bombillo de filamento). Espectro discreto. Cada fuente lumínica emite un espectro atómico totalmente diferente a los demás. Y dentro de los discretos, el espectro de rayas en series. Serie de Balmer, para el hidrógeno. Fotografía 1. Pagina 8 de 9

9 Fotografía 3. Espectro de emisión discreto, de rayas, átomo de Mercurio. Trabajo independiente. Se calculan las primeras longitudes de onda según la ecuación de Balmer 1. Se calculan las longitudes de onda para las líneas Hα, Hβ y Hγ según el diagrama de niveles de energía ecuación. Se comparan los resultados según las ecuaciones 1, y los valores experimentales. Enunciar y explicar los postulados de Bohr. 13. CRITERO DE EVALUACIÓN A LA PRESENTE PRÁCTICA (3) 0% 80% Presentación escrita del marco teórico de la práctica a desarrollar que incluye: portada, objetivos, desarrollo del marco teórico, procedimiento, bibliografía y web grafía; y/o cuis. Presentación escrita del informe de la práctica totalmente desarrollada, con adecuada ortografía y redacción que incluye: toma de datos, representación gráfica de los datos (tablas, graficas), análisis e interpretación de los datos y conclusiones. Nota: Cada práctica se evaluará en la escala de calificación de cero a cinco y la no asistencia del estudiante a la práctica implicará una nota de cero. El estudiante tiene derecho a realizar una práctica de reposición por cada corte, en el horario establecido por el Departamento de Física. La nota del corte del laboratorio corresponde al promedio de las notas de las prácticas que incluye la nota de la evaluación final en cada corte. 14. BIBLIOGRAFIA: (4) - SERWAY Raymond, JEWETT John. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. Thomson editores, sexta edición OHARIAN, H. MARKERT, J. Física para Ciencias e Ingeniería- Tercera edición. Volúmen 1. México SEARS, F. ZEMANSKY, M. Física Universitaria. Vol.. Undécima edición. Pearson Addison Wesley. México Pagina 9 de 9