Espectroscopia do Visível

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1 Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa Faculdade de Belas Artes da Universidade de Lisboa Espectroscopia do Visível Relatório da Atividade Experimental Curso de Ciências da Arte e do Património 1º Ano, 1º Semestre Ano letivo 2014/2015 Módulo de Física Docente: Andrea Parisi Cláudia Furtado nº 7676 Henrique Borralho nº 8265 Marta Aleixo nº 7724 Simão Andrade nº 8254

2 Objetivos da actividade experimental A actividade experimental teve como objetivo proceder à interpretação da diferença entre um espectro de emissão contínuo e descontínuo, assim como à identificação do elemento constituinte de uma lâmpada desconhecida a partir da observação do seu espectro de emissão visível, recorrendo à calibração de um espectroscópio de prisma, também designado por espectroscópio Bunsen- Kirchhoff a partir de uma lâmpada Hg. Fig. 1 Esquema de um Espectroscópio de Prisma Breve descrição do processo da emissão de radiação Qualquer molécula isolada possui uma certa quantidade de energia além daquela associada ao seu movimento no espaço. A maior parte está na forma de energia cinética e energia potencial electrostática dos electrões que se movimentam em órbitas em torno do núcleo dos átomos. Outras quantidades menores de energia estão associadas com a vibração de átomos em torno de suas posições médias na molécula e a rotação da molécula em torno de seu centro de massa. Ora, quando a radiação emitida por um corpo muito quente atravessa uma nuvem de gás com temperaturas baixas, acontecem duas coisas: 1) A radiação é absorvida na frequência (ou c.d.o) correspondente às energias características dos átomos do gás espectro de absorção. 2) A radiação é emitida com frequência correspondente às energias características dos átomos do gás espectro de emissão.

3 As lâmpadas incandescentes são as fontes hétero-cromáticas i de uso mais comum. São basicamente constituídas por um filamento (geralmente de tungsténio) que, ao ser aquecido, emite energia radiante sob a forma de luz branca. Ao atravessar um prisma, por exemplo, a luz branca decompõe-se num espectro de diferentes cores dito espectro contínuo de emissão (contínuo porque a sequência de cores se sucede de forma contínua; de emissão por ser emitido pela fonte luminosa). Os espectros obtidos a partir de vapores e gases incandescentes (formados por átomos livres, com a existência de níveis de energia bem definidos) são descontínuos e apresentam algumas riscas com cores perceptíveis à nossa visão. Para se obterem vapores luminosos para a obtenção de espectros de emissão descontínuos utilizam-se tubos de vidro nos quais se introduzem os gases que se pretendem estudar em quantidades muito pequenas (pressões baixas - gases rarefeitos). Descrição do funcionamento do Espectroscópio de Prisma O espectroscópio de prisma é constituído por uma fenda, uma lente que absorve a radiação, um prisma, a lente de uma câmara e uma placa fotográfica que irá registar o espetro obtido. A luz proveniente da lâmpada passa por uma pequena fenda e é conduzida, por intermédio de uma lente, em direção ao prisma, o qual decompõe a luz incidente no seu espetro e a faz incidir sobre uma placa fotográfica que a regista. Descrição do processo experimental O processo experimental consistiu em: 1) Registar as posições das riscas de emissão da lâmpada de Cádmio na régua graduada; 2) Utilizar as tabelas dadas para estabelecer uma relação entre as posições e do comprimento de onda das riscas. 3) Construção de um gráfico do c.d.o. das riscas em função da posição na escala graduada. 4) União dos pontos por segmento de recta. 5) Obtenção da equação das rectas para cada um dos segmentos. O mesmo processo foi feito com a lâmpada desconhecida, sendo que no final foi necessário identifica-la.

4 Através da observação do espectroscópio, realizada por cada um dos elementos do grupo, analisámos a posição das riscas de emissão de uma lâmpada de Hg. Recolhemos os seguintes valores: Posição na recta Vermelho 6,7 Verde 8,9 Azul claro 9,6 Azul escuro 10 Violeta 11 Fig. 2 Imagem observada através do Espectroscópio Para estabelecermos a relação entre a posição das cores da primeira lâmpada e o seu comprimento de onda (este último facultado pelo professor) calibração do espetroscópio - construímos uma tabela e um gráfico que serão apresentadas abaixo. CDO Posição Vermelho 643,8 6,7 Verde 508,6 8,9 Azul claro 480 9,6 Azul 467,8 10 Violeta

5 GRÁFICO DA LÂMPADA Hg 1) λ = 61,45x ,54 2) λ = 40,86x + 872,23 3) λ = 30,5x + 772,8 4) λ = 26,8x + 735,8 Após finalizado o gráfico, foi necessário obter a equação das retas para cada um dos três segmentos. A equação é dada por: λ =m x +b. Assim, efetuámos os seguintes cálculos para determinar o declive da reta (m) e a ordenada na origem (b) de cada segmento. Segmento 1) m = 508,6 643,8 8,9 6,7 = 135,2 2,2 = 61,45 b = 5729, ,62 8,9 6,7 = 2322,2 2,2 = 1055,54 λ = 61,45x ,54 Segmento 2) m = ,6 9,6 8,9 = 28,6 0,7 = 40,86 b = 4882, ,7 = 872,23 λ = 40,86x + 872,23

6 Segmento 3) m = 467, ,6 = 12,2 0,4 = 30,5 b = ,88 0,4 = 772,8 λ = 30,5x + 772,8 Segmento 4) m = , = 26,8 b = 467, = 735,8 λ = 26,8x + 735,8 Quanto à segunda lâmpada, não nos foi dito qual o elemento que continha. Para o descodificar, baseámo-nos no gráfico correspondente à lâmpada de Hg para encontrar os comprimentos de onda das riscas de emissão da lâmpada desconhecida. Relacionámos o c.d.o das riscas de emissão da primeira lâmpada com a posição das riscas de emissão da segunda lâmpada. Fig. 3 Segundo espectro a ser observado. Marcámos a posição no gráfico feito para a lâmpada de Hg, determinando geometricamente ( a olho ) o c.d.o correspondente a cada risca (gráfico 2, linhas azuis).

7 De seguida, utilizámos a equação λ=mx+b, bem como os parâmetros determinados para cada um dos segmentos de reta do gráfico, para determinar o c.d.o de cada uma das riscas de emissão da lâmpada desconhecida, de forma precisa: Posição Amarelo 7,6 Verde 8,1 Azul esverdeado 9,3 Azul 11,2 Violeta 12,8 Amarelo λ = 61,45 7, ,54 = 588,52 nm Verde λ = 61,45 8, ,54 = 557,795 nm Azul esverdeado λ = 40,86 9, ,23 = 492,2 nm

8 A determinação da lâmpada desconhecida surtiu algumas dúvidas uma vez que os resultados obtidos apontavam para três possíveis elementos: Mercúrio, Hélio e Sódio, como podem observar na tabela seguinte: Mercúrio Hélio Sódio 404,6 Violeta 447,1 Violeta 449,7 Azul 435,8 Violeta 471,3 Azul 466,8 Azul 491,6 Azul Esverdeado 492,2 Azul Esverdeado 498,2 Azul Esverdeado 546,0 Verde 501,6 Amarelo 515,3 Azul Esverdeado 579,0 Amarelo 587,6 Vermelho 588,9 Amarelo 614,9 Vermelho 667,8 Vermelho 615,4 Vermelho 690,7 Vermelho No entanto, apenas o Mercúrio poderia produzir as cores do espectro observado, isto é, Amarelo, Verde, Azul esverdeado e dois Violetas. Conclusão Chegámos à conclusão que os valores que mais se aproximavam eram os da lâmpada de mercúrio, como confirmam os resultados por nós obtidos, relativamente ao c.d.o das riscas de emissão, como os valores que encontrámos nas tabelas referentes ao exercício. Concluímos assim que, a partir do comprimento de onda e da posição das riscas de emissão de uma lâmpada (visível no espetroscópio), podemos descobrir qual é o elemento que a compõe, uma vez que a radiação é emitida com frequências (c.d.o) correspondentes às energias características dos átomos do elemento espetro emissão. i Um feixe luminoso hetero-cromático é um feixe constituído por radiações de diferentes comprimentos de onda (c.d.o.) ou frequências (cores). Referência retirada de Espectroscopia do Visível