Observação de espectros de emissão Protocolos dos laboratórios de Física Departamento de Física, UAlg

Transcrição

1 1 Introdução Neste trabalho vamos observar os espectros de emissão do Mercúrio e do Sódio. De uma forma geral, um electrão é promovido a uma orbital de nível superior à que ocupa quando é excitado de alguma forma por uma fonte de energia exterior. Quando o electrão volta à sua orbital inicial devolve a energia absorvida na forma de um fotão com energia igual à diferença de energia dos dois níveis atómicos (ver gura 1). Este processo dá-se, para cada elemento, para um conjunto de várias transições características. A esse conjunto de transições corresponde um conjunto de fotões com comprimentos de onda bem determinados. É a isto que se chama o espectro de emissão de um elemento. O espectro de emissão de um dado elemento contém a informação sobre os comprimentos de onda em que se dá emissão (que é um conjunto discreto) e a intensidade da radiação em cada um desses comprimentos de onda. Fig. 1: Na gura da esquerda dá-se a absorção de energia e a promoção do electrão. Na gura da direita o electrão volta ao nível inicial e liberta um fotão. Note-se que: a) a promoção também pode ser feita pela absorção de um fotão; b) a despromoção pode ser feita para um nível intermédio e só depois para o estado nal. Nesta experiência usaremos uma lâmpada espectral. Neste tipo de lâmpadas é a descarga eléctrica através do gás nela contido que comunica energia aos átomos, fazendo com que haja electrões em estados excitados. Esses electrões voltam depois ao estado fundamental, emitindo radiação, em particular na gama do visível. As duas lâmpadas que vamos usar 1

2 contêm respectivamente vapores de Mercúrio e de Sódio. Assim, a luz emitida por estas lâmpadas contém praticamente apenas fotões correspondentes às transições atómicas especícas destes átomos. O objectivo do trabalho é determinar os comprimentos de onda das várias riscas de cada elemento. Para isso vamos usar uma rede de difracção e um espectrómetro-goniómetro. A rede de difracção é um elemento óptico que separa angularmente a luz de acordo com o seu comprimento de onda (a superfície de um CD funciona como uma rede de difracção em reexão, enquanto que a rede que vamos usar funciona como uma rede de transmissão). O espectrómetro goniómetro tem, basicamente, dois braços e uma mesa. O primeiro braço é um colimador e permite-nos fazer passar a luz da lâmpada por uma fenda (cuja imagem é uma "risca", e dai o nome de "riscas"para os componentes básicos de um espectro) e colimála. Depois, a mesa suporta a rede de difração, e a luz colimada passa pela rede. Após passar pela rede de difracção, a risca inicial separa-se em riscas individuais, uma para cada transição atómica. O segundo braço, que é um telescópio, roda em torno da mesa e permite ao utilizador determinar a deexão angular de cada risca. Essa deexão permite nalmente calcular o comprimento de onda da risca observada. Repetindo o processo para todas as riscas observáveis obtemos a descrição dos espectros: a lista dos comprimentos de onda especícos de cada átomo. 2 Material Fig. 2: Material da experiência. Ver gura 2: 1. Espectrómetro-goniómetro (1a: colimador; 1b: telescópio) 2

3 2. Lâmpada espectral de Mercúrio 3. Lâmpada espectral de Sódio 4. Suporte para lâmpadas espectrais 5. Fonte de alimentação para lâmpadas espectrais 6. Uma rede de difracção 7. Uma Base e um poste para montar o suporte e a lâmpada 3 Procedimento Experimental 3.1 Alinhamento do espectrómetro goniómetro A gura 3 ilustra a estrutura de um espectrómetro-goniómetro típico. Neste caso apresentase um prisma, mas nós vamos usar apenas uma rede de difracção para determinação do comprimento de onda das riscas do Hg e do Na (o prisma também produz a separação angular dos diferentes comprimentos de onda. A experiência pode portanto ser realizada com um prisma ou com uma rede). Fig. 3: Montagem e trajecto do feixe no espectrómetro (L = fonte luminosa, Sp = fenda, S = colimador, SO = lente colimadora, PT = mesa dos prismas com parafusos niveladores de ajuste, P = prisma ou rede de difracção, FO = lente de telescópio, F = telescópio, O = objectiva, K = mira, W = círculo graduado com nónio 3

4 1. Observar a cruz de mira na ocular. A óptica do tubo telescópico inclui uma ocular com uma cruz de mira, que tem uma escala graduada. Essa escala deve estar perfeitamente nítida e vertical. Se não estiver nítida deve mover-se a ocular para trás e/ou para a frente até que se observe a escala com nitidez. Se não estiver vertical pode rodar-se a ocular. 2. Focar o telescópio no innito. O tubo do telescópio deverá estar a funcionar efectivamente como telescópio. Para isso deve apontar-se o telescópio a um objecto longínquo (20 a 30 m pelo menos) e focá-lo nesse objecto. 3. Ajustar o tubo colimador. O tubo colimador tem por função fazer com que o feixe que incide na rede de difracção seja colimado, isto é, que seja constituído por raios paralelos. Para que isso aconteça a fenda do tubo colimador deve estar a uma distância da lente colimadora (na outra extremidade do tubo) igual à distância focal dessa lente. Para garantir que assim é siga os seguintes passos: (a) Ligue a fonte da lâmpada espectral e coloque-a a alguns centímetros da fenda do colimador. Use as protecções para a luz fornecidas para bloquear a luz que não vai para o colimador e que poderá causar incómodo se incidir directamente na vista. Não é preciso esperar que a lâmpada aqueça. Este procedimento pode ser realizado enquanto a lâmpada aquece. (b) Tape a fenda com um pouco de papel translúcido, como seja papel de cozinha ou papel higiénico. O objectivo deste ponto é proteger a vista durante o ajuste, pois a observação da luz vai ser feita de forma directa. O papel bloqueará a maior parte da luz, mas deixará passar o suciente para executar o ajuste. (c) Coloque o telescópio em frente ao tubo colimador. (d) Olhe através da objectiva do telescópio e rode o telescópio até que a fenda esteja no campo de visão. (e) Regule a abertura da fenda do colimador para o valor mais pequeno em que a fenda ainda é claramente perceptível. Se a fenda estiver na oblíqua rode-a até car vertical. (f) Em geral a fenda apresenta-se desfocada neste ponto. Varie o comprimento do tubo colimador até que a fenda apareça bem nítida no campo de visão (não volte a mudar a focagem do telescópio). Quando isso acontecer há a garantia de que o colimador está bem regulado. Faça ainda um alinhamento nal da cruz de mira com a fenda, de forma a carem perfeitamente paralelas. 4. Leia o ângulo indicado pela escala do goniómetro quando o centro da fenda coincide com o centro da mira (chamaremos a este ângulo o ângulo de referência. Nesta fase deve pedir ao seu professor para lhe explicar como se faz a leitura dos ângulos). Este procedimento tem a ver com o facto que que no nal do ajuste a leitura angular no goniómetro pode não ser zero. Ora, sicamente, esta é a posição de 0º, pois o telescópio 4

5 está a observar frontalmente a fenda do colimador. Alguns goniómetros permitem reajustar a escala e posicioná-la exactamente no 0. Outros não permitem. Nesse caso deve tomar nota do ângulo de referência e fazer todas as medidas subsequentes em relação a este valor. 3.2 Observação das riscas de emissão 1. Coloque a rede de difracção na mesa do goniómetro. Deverá car o mais possível perpendicular à direcção do tubo colimador. 2. Rode o tubo telescópico para um dos lados até observar as riscas de emissão. Leia o ângulo marcado na escala para a risca mais intensa. Faça a subtracção desse ângulo do ângulo de referência e tome nota do valor obtido. Rode o telescópio para o outro lado até observar a mesma risca. Meça de novo o ângulo e subtraia-lhe o ângulo de zero. Compare com o valor anterior. Idealmente deverão ser simétricos. Se não o forem, rode a rede de difração (apenas um pouco) de forma a aproximar os valores. Por tentativa e erro deverá chegar a uma diferença inferior a um arco de segundo (1'). 3. Com a rede alinhada já pode tirar os valores angulares para todas as riscas. Comece portanto pela risca mais perto do ângulo de referência e meça o ângulo correspondente. Repita para todas as riscas seguintes, avançando na direcção das riscas vermelhas (mais afastadas do ângulo de referência). Nesta experiência usará as lâmpadas espectrais de sódio e mercúrio. Depois de anotar os valores dos ângulos para uma lâmpada repita o procedimento para a outra (por uma questão de reprodutibilidade de resultados use o mesmo lado para fazer as medições, i. e., ou rodar sempre o telescópio para a esquerda ou rodá-lo sempre para a direita). 4. Tenha em atenção que o espectro tem várias ordens de difracção. Cada ordem repete o espectro em posições angulares diferentes. Poderá acontecer que as primeira e segunda ordens se sobreponham, fazendo parecer, por exemplo, que há duas riscas verde-alface no espectro do Hg, quando, na verdade, só há uma. 4 Tratamento dos dados e elaboração do relatório 4.1 Tratamento directo dos dados 1. A determinação dos comprimentos de onda faz-se através de λ = d sin θ, (1) em que λ é o comprimento de onda, d a distância entre as linhas da fenda (ex: para uma fenda de N = 600 linhas por mm a distância é d = 1/N = mm = m = 1.67 µm) e θ o ângulo de desvio da linha correspondente. 5

6 2. Apresente uma tabela com os dados que obteve: elemento (Na ou Hg), cor da risca, ângulo de deexão e comprimento de onda calculado. 3. Acrescente ainda uma última coluna à tabela, com os valores teóricos esperados. Dependendo do tempo disponível e do contexto do trabalho na cadeira, o professor poderá fornecer-lhe os valores teóricos ou, em alternativa, pedir que faça uma pesquisa para determinar quais os valores tabelados na literatura para as riscas observadas. 4. Compare os valores obtidos experimentalmente através da aplicação da equação (1) com os valores tabelados na literatura e comente. 4.2 Divisão dos dados em calibração e validação Pode acontecer que os resultados obtidos na secção anterior, 4.1, não coincidam muito bem com os valores esperados. Isto deve-se a pequenos desajustes difíceis de controlar ou compensar (o acerto do zero, a focagem, a posição da rede e mesmo o facto de que o valor apresentado para o número de riscas da rede pode ser apenas aproximado) e que vão fazer com que a aplicação da expressão (1) não conduza a valores perfeitamente condizentes com os valores teóricos. A forma de tratar este problema é usar o sistema tal como ele está - com todos os seus desvios à idealidade - e calibrá-lo com os valores teóricos. A calibração permite ajustar a resposta do sistema aos dados da literatura. Depois de feita a calibração usa-se de novo o sistema para fazer novas previsões - é a validação. Se a calibração for bem sucedida, então os resultados previstos na validação deverão estar bastante próximos dos valores teóricos. Neste trabalho fazemos a calibração com os ângulos experimentais e os comprimentos de onda teóricos (os da literatura) do Hg. O procedimento é o seguinte: 1. Calibração: Faça uma recta de calibração através de uma regressão λ vs. sin θ para o Hg. Deve usar os valores tabelados para o c.d.o. das riscas do Hg: λ T = a + b sin θ, (2) em que λ T representa o conjunto de valores teóricos, obtidos na literatura. Nesta regressão o valor de b representa o valor efectivo da distância entre as linhas da rede de difracção. O valor de a não tem grande signicado físico. É, basicamente, uma constante que permite ajustar melhor os dados aos valores teóricos. 2. De acordo com os valores obtidos pela calibração, indique no relatório quantas riscas por mm tem efectivamente a rede. 3. Validação: Determine o c.d.o das riscas amarelas do Na através da equação (2). Deve usar os valores experimentais dos ângulos obtidos para o Na e os coecentes a e b da recta de calibração. 6

7 4. Compare os valores obtidos para os comprimentos de onda do Na com os valores da literatura. 5. Discuta os resultados obtidos pelos dois métodos: o directo e o com calibração. 7