Espectroscopia do visível

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1 Espectroscopia do visível CALIBRAÇÃO DE UM ESPECTROSCÓPIO Objectivo: Neste trabalho prático pretende-se proceder à calibração de um espectroscópio de prisma e, posteriormente, determinar os comprimentos de onda das riscas amarela e verde dos espectros de emissão do zinco. 1. IONIZAÇÃO NOS GASES Em geral o comportamento dos gases é idêntico. Os gases são constituídos por átomos e moléculas e, sob o ponto de vista eléctrico e em condições normais, são isolantes, ou seja não conduzem a electricidade. Para que exista passagem de corrente eléctrica através de um gás, é necessário ionizá-lo. Basicamente podemos citar os seguintes mecanismos que permitem ionizar os gases: 1.1. IONIZAÇÃO POR CHOQUE ELECTRÓNICO Ocorre principalmente nos campos eléctricos elevados (altas tensões), nos quais iões ou electrões possuem energia cinética suficiente para produzir a ionização. Estas partículas são aceleradas pelo intenso campo eléctrico e depois colidem com os átomos. São assim formados os arcos nas descargas eléctricas IONIZAÇÃO TÉRMICA Produz-se pelo aumento de energia cinética quando a substância é aquecida. Os electrões exteriores ganham energia cinética suficiente para sair do átomo. É o chamado efeito termo-iónico e que acontece sempre que num condutor passa corrente eléctrica. O condutor aquece (efeito de Joule) e em seguida emite alguns electrões dos níveis exteriores FOTOIONIZAÇÃO Origina-se quando os átomos ou moléculas absorvem energia electromagnética (radiação) com energia suficiente para os ionizar. Este é o efeito fotoeléctrico PROCESSO DE IONIZAÇÃO POR ACÇÃO DE UM CAMPO ELÉCTRICO (descrição) Inicialmente sob tensões baixas, os gases não são condutores. Porém, há sempre alguns iões que estão presentes. Aumentando a tensão entre dois eléctrodos, colocados no interior do gás, o campo eléctrico resultante entre os mesmos também aumenta de intensidade, produzindo a movimentação dos iões entre os eléctrodos. A velocidade deste deslocamento depende principalmente da pressão do gás e da intensidade do campo eléctrico. Desta forma é cada vez maior a quantidade de iões que na unidade de tempo conseguem chegar até os eléctrodos, ou seja, a corrente eléctrica que circula pelo gás vai aumentando de intensidade. A partir de determinado momento, todos os iões produzidos pelo agente ionizador (o campo eléctrico), chegam até aos eléctrodos.

2 Para aumentar a intensidade da corrente eléctrica torna-se agora necessário elevar consideravelmente a tensão entre os eléctrodos. Feito isto, a intensidade da corrente eléctrica vai aumentar novamente. Nestas condições aparece a ionização por choque electrónico e, neste momento, a recombinação dos átomos e moléculas ionizados que voltam ao seu nível fundamental, produz a emissão de radiações electromagnéticas (luz), tornando o gás luminoso. Refracção da Luz A luz propaga-se no vácuo com uma velocidade constante (cerca de km/s). Nos diferentes meios materiais, no entanto, a luz propaga-se a velocidade inferior e o seu valor depende do próprio meio e da frequência da luz incidente (ou seja na região do visível depende da côr. Fontes luminosas e espectros de emissão Feixe luminoso heterocromático é um feixe constituído por radiações de diferentes comprimentos de onda (c.d.o.) ou frequências (cores). As lâmpadas incandescentes são as fontes heterocromáticas de uso mais comum. Elas 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 sólidos e líquidos são formados por átomos ou moléculas ligadas quimicamente, donde os níveis de energia periféricos característicos de cada átomo deixam de existir passando a haver bandas de energia. As transições de electrões entre as bandas dá origem a espectros contínuos. 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). Os gases são tornados luminosos por meio de uma descarga eléctrica entre dois eléctrodos situados nas extremidades dos tubos (ver lâmpada Fig.1). A descarga eléctrica produz ionização do gás nas camadas periféricas. O átomo ionizado ao voltar ao estado fundamental emite radiação no domínio do visível, cujo c.d.o. depende do elemento. Fig.1

3 Decomposição da luz por um prisma Para produzir a decomposição de uma luz composta de várias cores Newton utilizou um prisma, que desvia com diferentes ângulos de emergência cada cor (comprimentos de onda diferentes) ao ser atravessado pelo feixe composto. Abaixo ilustramos essa decomposição para o feixe de luz branca. a) Dispersão de um raio de luz monocromática por um prisma. b) Dispersão de um raio de luz heterocromática por um prisma. Os ângulos de desvio variam consoante o c.d.o. das componentes do raio incidente. Constituição e funcionamento de um espectroscópio de prisma O espectroscópio que vamos usar está esquematicamente representado na figura 3, sendo constituído pelas seguintes partes: Um óculo, com duas lentes (a ocular L1 e a objectiva L2), móvel em torno de um eixo vertical; Um colimador fixo, com uma objectiva L3 num dos extremos e uma fenda regulável F no outro; Uma plataforma onde está colocado o prisma, na posição de desvio mínimo para a zona média do espectro; Um tubo fixo onde se encontra uma escala E, colocada no plano focal de uma objectiva L4. No colimador existe uma fenda estreita F para delimitar o feixe, iluminada por uma fonte luminosa (lâmpada dos vários elementos) que serve de objecto. A fenda deve estar colocada no plano focal da objectiva L3 para que o feixe que sai do colimador seja um feixe de raios paralelos. Nestas condições, se a referida fonte luminosa for heterocromática, o feixe que incide no prisma é heterocromático e de raios paralelos (fig. 3). Então, devido à dispersão no prisma obtêm-se, à saída deste, vários feixes de raios paralelos, cada um com seu c.d.o. (portanto com sua cor). Cada um deles atravessa a lente L2 convergindo no seu plano focal, onde forma a imagem da fenda F (uma risca). O conjunto destas imagens (riscas), correspondente às diferentes radiações monocromáticas que compõem a luz emitida pela fonte, constitui o espectro de emissão da fonte luminosa em causa.

4 No plano focal da objectiva do óculo a imagem de uma escala E que por reflexão na parede polida do prismas se obrepõe à do espectro de emissão. Para se ver essa imagem, essa escala deve ser iluminada por uma lâmpada de incandescência, colocada à entrada do tubo fixo (fig. 3). A escala está colocada no plano focal de L4 e o feixe de raios paralelos que emerge desta lente é reflectido na face AB do prisma dando origem a uma imagem da escala do plano focal de L2, que se sobrepõe às riscas, vendo-se em simultâneo. Para observar as imagens sobrepostas do espectro e da escala foca-se a ocular L1 para o plano onde se formam essas imagens. Calibração do espectroscópio Calibrar um aparelho de medida é estabelecer uma correspondência entre a graduação da escala que lhe está associada e os valores numéricos de uma grandeza física mensurável com esse aparelho. Neste trabalho prático pretende-se conhecer os c.d.o. das riscas vermelha amarela e verde do espectro de emissão do zinco. No entanto, como poderá verificar, a escala associada ao espectroscópio que vai usar não está dimensionada. É por isso necessário começar por calibrar o aparelho, ou seja, fazer corresponder à graduação da escala, valores numéricos da grandeza física comprimento de onda. A calibração deste espectroscópio será efectuada do seguinte modo: 1. utilizando riscas cujos c.d.o. são conhecidos (Tabela I), regista-se a localização dessas riscas na escala E associada ao espectroscópio; 2. num gráfico (em excel) representa-se o c.d.o. das riscas utilizadas em função das posições da escala onde as riscas apareceram; 3. traça-se a melhor curva curva de calibração do espectroscópio de modo a que os desvios dos pontos experimentais que permaneçam acima e abaixo da curva se compensem. Na figura 4 apresenta-se um exemplo de uma curva de calibração. O c.d.o. de qualquer risca do espectro visível pode ser determinado a partir da curva de calibração, desde que se conheça a localização dessa risca na escala graduada do espectroscópio.

5 Calibração Espectroscópio Espectroscópio 1 Espectroscópio 2 Power (Espectroscópio 2) Power (Espectroscópio 1) y = x y = 11239x Escala (mm) Curva de calibração de um espectroscópio ATENÇÃO Durante a execução deste trabalho deve ter o cuidado de não mexer ou não dar um toque brusco no espectroscópio. Isso pode provocar um deslocamento do prisma e, consequentemente, uma alteração da posição relativa das riscas na escala. Quando tal acontece, as posições das riscas antes do toque brusco seguem uma determinada curva (figura 4) e as riscas depois do toque seguem claramente uma outra, paralela à primeira. a) Coloque junto à fenda do colimador uma lâmpada de cádmio. Regule a tiragem do óculo de modo a observar nitidamente o espectro de riscas emitido. b) Ilumine a escala do aparelho (colocada na extremidade do tubo mais curto) com a lâmpada de incandescência. Observe a imagem da escala. c) Registe as divisões da escala em que se formam as riscas, atendendo a que deve fazer as leituras com a maior correcção possível. (A fim de evitar erros de paralaxe desloque o óculo para cada medida de forma a fazer todas as leituras com a respectiva risca no centro da imagem.) d) Substitua a lâmpada de cádmio por uma lâmpada de hélio e proceda como na alínea anterior. e) Numa folha de papel milimétrico, construa um gráfico marcando em ordenadas os valores dos c.d.o. das riscas observadas nos espectros de cádmio e de hélio (Tabela I) e em abcissas os valores das divisões da escala onde se formaram as respectivas riscas. f) Trace a curva de calibração Determinação dos c.d.o. das riscas vermelha, amarela e verde do zinco a) Coloque a fonte de Zn em frente da fenda do colimador e registe as divisões da escala. b) Utilizando a curva de calibração obtida, determine o c.d.o. das referidas riscas. d) Compare os valores obtidos na alínea anterior com os seguintes valores publicados. Observação de um espectro contínuo de emissão Substitua as fontes luminosas até aqui utilizadas e coloque junto à fenda do colimador a própria lâmpada de incandescência que usou para iluminar a escala do espectroscópio. Explique o fenómeno observado. Relatório

6 Elabore um relatório do trabalho efectuado, no qual deve incluir só: uma breve introdução teórica sobre o processo de emissão do espectro de riscas. os resultados experimentais obtidos (organizados em gráfico); as conclusões finais. Lâmpada de Cd Vermelha: nm Forte. Verde: nm Forte. Azul: nm Forte. Violeta: nm Forte. Violeta: nm Muito Fraca. Lâmpada de He Violeta: nm Azul: nm Azul-esverdeada: nm Verde: nm Amarelo: nm Laranja: nm Vermelho: nm Vermelho: nm Lâmpada de Zn Vermelha Amarela: Verde: nm Forte. Azul-esverdeada: nm Forte Primeira azul: nm Forte Segunda azul: nm Forte Segunda azul: nm Forte HELIUM (nm) HYDROGEN (nm) MERCURY (nm) SODIUM (nm) Violet Violet Violet Blue Violet Violet Violet Blue Blue Blue-Green Blue-Green Blue-Green Blue-Green Red Green Blue-Green Green Yellow Yellow Yellow Red Red Red Red Red