Curso de Química e Física dos Materiais I Ciências da Arte e do Património. Espectroscopia do visível ano 2015/16

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1 Curso de Química e Física dos Materiais I Ciências da Arte e do Património Espectroscopia do visível ano 2015/16

2 Objetivos Pretende-se proceder à identificação de alguns elementos químicos a partir do seu espectro de emissão visível recorrendo a um espectroscópio de prisma, também designado por espectroscópio Bunsen-Kirchhoff, previamente calibrado. Os alunos terão também a oportunidade de observar e interpretar a diferença entre um espectro de emissão contínuo e descontínuo. Aspectos Teóricos O espectroscópio de Bunsen-Kirchhoff que vamos usar, está esquematicamente representado na figura. É constituído pelas seguintes partes: 1. um óculo, com duas lentes (a ocular L1 e a objectiva L2 ), móvel em torno de um eixo vertical; 2. um colimador fixo, com uma objectiva L3 num dos extremos e uma fenda regulável F no outro; 3. uma plataforma onde está colocado o prisma, na posição de desvio mínimo para a zona média do espectro; 4. um tubo fixo onde se encontra uma escala E, colocada no plano focal de uma objectiva L4. L 1 No colimador existe uma fenda estreita F, iluminada por uma fonte luminosa. A fenda serve de objecto. 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 policromática, o feixe que incide no prisma é policromático e de raios paralelos. 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. No plano focal da objectiva do óculo a imagem de uma escala E sobrepõe-se 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. 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 no plano focal de L 2. Para observar as imagens sobrepostas do espectro e da escala foca-se a ocular L1 para o plano onde se formam essas imagens.

3 Calibração do espectroscópio A calibração de um instrumento de medida consiste em estabelecer a relação entre a grandeza física que queremos conhecer e a grandeza física que o instrumento mede. No caso do espectroscópio de prisma consiste em estabelecer a relação entre o cdo das riscas de emissão e a localização destas numa régua graduada: 1. Registe as posições das riscas de emissão da lâmpada de calibração na régua graduada; 2. Utilize as tabelas para estabelecer a relação entre essas posições e o c.d.o. das riscas. Atenção: algumas das riscas na tabela podem ser pouco intensas e portanto não bem visíveis. Este não vai afectar às medidas. 3. Construa um gráfico do c.d.o. das riscas em função da posição na escala graduada. Pode faze-lo usando uma folha de papel milimétrico ou usando uma folha de cálculo excel. Deverá marcar e identificar as escalas de cada eixo; 4. Una os pontos por segmentos de recta. 5. Obtenha a equação das rectas para cada um dos segmentos. Relembre que a equação da recta é dada por: λ=mx +b onde é o valor do c.d.o. e x é a posição da risca na escala graduada. Obtenha os parâmetros m (declive da recta) e b (ordenada na origem) tendo em conta que: m= λ 2 λ 1 x 2 x 1 b= λ 1 x 2 λ 2 x 1 x 2 x 1 Na próxima pagina se mostra um exemplo de curva de calibração para uma lâmpada de Hg

4 Exemplo: determinar a equação do segmento (1) m 1 = = 64.2 nm b 1 = =723.3 nm Medição das riscas da lâmpada desconhecida 1. Uma vez que a lâmpada desconhecida é posta junto à fenda do colimador do espectroscópio, faça a medição da posição na escala graduada das suas riscas; 2. Regule a tiragem do óculo de modo de observar nitidamente o espectro de riscas emitido. 3. Marque a sua posição no gráfico que construiu anteriormente, e infira geometricamente o c.d.o. correspondente a cada risca; 4. Usando a equações da recta e os parâmetros calculados anteriormente por cada segmento da curva de calibração, calcule com melhor precisão o c.d.o. correspondente a cada risca. 5. Compare os cumprimentos de onda obtidos com às tabelas e determine o elemento da lâmpada desconhecida. Exemplo de cálculo Suponha que observou uma risca da lâmpada desconhecida na posição x=2.6. Neste caso a posição encontra-se no segmento de reta 1, pelo que o c.d.o correspondente é: λ= nm=564.4 nm

5 Observação de um espectro continuo de emissão 1. Usando uma lâmpada a incandescência, determine os limites do espectro observado e calcule os comprimentos de onda. 2. Em qual maneira este espectro é diferente do espectro de emissão? Pode explicar o que se observa?

6 Estrutura do relatório Cada relatório deve ter os nomes e número de matricula de todos os estudantes que participaram à experiência. Os seguentes pontos devem ser enfrentados para cada grupo: 1. Objectivos da actividade experimental; 2. Descrição do processo físico da emissão de radiação pelos átomos; 3. Descrição em termos simples do funcionamento do espectroscópio de prisma; 4. Lista do material utilizado (pode incluir esquemas e/ou fotos); 5. Descrição do procedimento experimental: observação e calibração usando a lâmpada de calibração (especificar qual lâmpada foi usada) e observação das riscas com a lâmpada desconhecida; 6. Construção dos gráficos e análise dos resultados usando a calibração feita; (cálculo do comprimento de onda das riscas da lâmpada desconhecida) 7. Comparação com os dados encontrados nas tabelas e determinação da lâmpada desconhecida. 8. Conclusões e justificação para as possíveis diferenças encontrada entre os valores medidos e os valores encontrados nas tabelas.