Roteiro do Experimento Espectro Atômico de Gases
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- Mateus de Andrade Melgaço
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1 EA1 e EA2 Página 1 de 10 INSTRUÇÕES GERAIS: Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho Departamento de Física Laboratório de Física Moderna Roteiro do Experimento Espectro Atômico de Gases 1. Confira se encontra-se sobre a bancada todo o material que você irá utilizar durante o experimento. 2. Neste e em outros equipamentos que fazem uso de elementos ópticos (lentes, espelhos, prismas, redes difração, etc.), tome cuidado para não colocar a mão diretamente sobre as superfícies ópticas. 3. Esteja sempre atento às limitações do equipamento. 4. Atente também as altas voltagens e lâmpadas incandescentes que podem causar ferimentos. 5. Leia atentamente e completamente cada item antes de começar a executar o que nele é pedido. 6. Ao terminar o experimento, verifique se todos os equipamentos estão desligados antes de abandonar a bancada. O GRUPO DEVE TRAZER PARA REALIZAR ESTE EXPERIMENTO: - Seu caderno de laboratório - 1 diskete FORMATADO EQUIPAMENTO A SER UTILIZADO NO EXPERIMENTO: 1 Espectrofotômetro contendo: 1 fenda colimadora; 1 lente colimadora; 1 rede de difração; 1 lente focalizadora; 1 máscara com fendas; 1 Sensor de Luz de Alta Sensibilidade; 1 trilho ótico; 1 base graduada; 1 Sensor de Movimento Rotativo; 1 lâmpada de sódio de baixa pressão; 1 lâmpada de vapor de mercúrio; 1 tubo espectral de hidrogênio; 1 tubo espectral de hélio; 1 interface USB ScienceWorkshop 750.
2 EA1 e EA2 Página 2 de 10 MONTAGEM EXPERIMENTAL: 1. Você deverá encontrar o espectrofotômetro montado como na Figura 1, preso a dois suportes verticais de modo a ter sua altura ajustada para alinhar-se com as várias fontes de luz. 2. Ajuste a distância entre a fenda colimadora e a lente colimadora para 10cm. 3. A rede de difração deve ser fixada magneticamente no suporte, no lado que contém a lente colimadora e a fonte de luz. O lado gradeado da placa de vidro deve coincidir com a linha da mesa graduada. 4. Ajuste a mesa graduada para que a linha de referencia aponte para 180 o, afastando o sensor de movimento rotativo com a mão. Figura 1 Espectrofotômetro montado 5. Ligue as lâmpadas de Sódio e de Mercúrio e deixe-as aquecendo por aproximadamente 5 minutos antes de usá-las. ATENÇÃO: Não olhe diretamente na lâmpada de mercúrio. 6. Conecte a interface USB a uma entrada USB do computador. Conecte os plugs do sensor de movimento rotativo nos canais 1 e 2 da interface e o sensor de luz de alta sensibilidade no canal A, como mostrado na Figura Aterre o espectrômetro. Não use as tomadas de força para tal. Figura 2 Interface USB ScienceWorkshop Inicie o programa DataStudio e abrindo o arquivo Espectro Atômico que se encontra na pasta Desktop/Laboratório de Física Moderna.
3 EA1 e EA2 Página 3 de 10 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: PRIMEIRA PARTE. Determinar a separação das linhas da rede de difração. Use a lâmpada de Sódio (Na) para determinar a separação das linhas da rede de difração. As linhas amarelas do Sódio possuem comprimentos de onda de 589.0nm e 589.6nm. Estas linhas são tão próximas que são difíceis de serem resolvidas a olho nu. Assuma que esta linha tem o comprimento de onda médio de 589.3nm. 1. Ajuste os valores conforme sugestão na tabela abaixo. O ganho é ajustado diretamente no sensor de luz e a sensibilidade é ajustada acionando o botão Configurar na barra de ferramentas superior do programa DataStudio. Clique duplamente no ícone do sensor de luz e selecione sensibilidade Baixa (1x). Ajustes sugeridos para o Sódio. Ganho do sensor de luz x10 Sensibilidade do sensor de luz Baixa(1x) Fenda colimadora #1 Fenda do sensor de luz #2 2. Apague as luzes próximas e posicione a tela do computador longe do espectrofotômetro. 3. Ajuste a altura do espectrofotômetro para coincidir com o ponto médio da lâmpada de sódio. Posicione o sensor de luz de modo que a fenda fique ao lado do máximo central. Veja a Figura 3. Figura 3 Montagem experimental com lâmpada de sódio.
4 EA1 e EA2 Página 4 de Ajuste aposição da lente focalizadora de modo a obter uma imagem mais nítida possível no espectro no anteparo. 5. Pressione o botão Iniciar no painel do programa DataStudio e movimente vagarosamente o sensor passando pelo máximo central e pelo primeiro máximo lateral. Ao iniciar a varredura, verifique se o ângulo cresce positivamente. Caso positivo continue a varredura vagarosamente. Caso contrario pare a coleta dos dados acionando o botão Parar no DataStudio, inverta os conectores do sensor de movimento rotativo e reinicie a coleta de dados.pressione o botão Parar após encontrar o primeiro máximo. 6. Usando a ferramenta Smart (botão xy ) no gráfico, meça o ângulo entre o máximo central e o mínimo de primeira ordem (m=1). 7. Usando o comprimento de onda médio da linha do sódio (589,3 nm) calcule a separação de linhas d. Este é o valor que você irá usar no restante do experimento. 8. Salve a tabela com os dados coletados. Espectro do Hélio: 1. Substitua a lâmpada de Sódio pelo tubo de Hélio. Ajuste a altura do espectrômetro com o centro do tubo. 2. Ajuste os valores conforme a sugestão abaixo. Ajustes sugeridos para o Hélio Ganho do sensor de luz x100 Sensibilidade do sensor de luz Baixa (1x) Fenda colimadora #4 Fenda do sensor de luz #4 2. Posicione o sensor de luz de modo que a fenda fique ao lado do máximo central. 3. Pressione o botão Iniciar no painel do programa DataStudio e movimente vagarosamente o sensor passando pelo máximo central e todas as diferentes cores da região de primeiro máximo lateral (m=1). Pressione o botão Parar. 4. Usando o botão Texto ( A ) no topo do gráfico, marque os picos com as cores correspondentes das linhas espectrais. 5. Usando a ferramenta Smart (botão xy ) no gráfico, meça o ângulo entre o máximo central e o máximo de primeira ordem (m=1) para ao menos duas diferentes cores 6. Use os ângulos para calcular os comprimentos de ondas destas cores. Use a separação
5 EA1 e EA2 Página 5 de 10 de linhas d determinado com o espectro de sódio. 7. Faca um esboço do gráfico obtido e salve a tabela com os dados coletados. 8. Confira com os valores aceitos para o comprimento de onda destas linhas e calcule a diferença percentual com os seus valores calculados. 9. SEGUNDA PARTE Espectro do Hidrogênio: 1. Ajuste os valores conforme a sugestão a seguir. Note que a sensibilidade deve ser mudada na janela de configuração. Ajustes sugeridos para o Hidrogênio Ganho do sensor de luz x100 Sensibilidade do sensor de luz Alta (100x) Fenda colimadora #3 Fenda do sensor de luz #2 2. Ligue o tubo de Hidrogênio. CUIDADO: Estes tubos podem estar muito quentes. Ajuste a altura do espectrômetro com o centro do tubo. 3. Posicione o sensor de luz de modo que a fenda fique ao lado do máximo central. 4. Pressione o botão Iniciar no painel do programa DataStudio e movimente vagarosamente o sensor passando pelo máximo central e todas as diferentes cores da região de primeiro máximo lateral (m=1). Pressione o botão Parar. 5. Usando o botão Texto ( A ) no topo do gráfico, marque os picos com as cores correspondentes das linhas espectrais. 6. Usando a ferramenta Smart (botão xy ) no gráfico, meça o ângulo entre o máximo central e o máximo de primeira ordem (m=1) para ao menos três diferentes cores. 7. Use os ângulos para calcular os comprimentos de ondas destas cores. Use a separação de linhas d determinado com o espectro de sódio. 8. Faca um esboço do gráfico obtido e salve a tabela com os dados coletados. 9. Confira com os valores aceitos para o comprimento de onda destas linhas e calcule a diferença percentual com os seus valores calculados. 10. Para cada comprimento de onda encontrado para as linhas do hidrogênio, calcule a energia do fóton em ev.
6 EA1 e EA2 Página 6 de Usando estas energias, calcule o nível energético inicial de cada elétron decaído que emitiu os fótons de cada linha. Espectro de Mercúrio: ATENÇÃO: Não olhe diretamente na lâmpada de mercúrio. 1. Ajuste os valores conforme a sugestão ao lado. Note que a sensibilidade deve ser mudada na janela de configuração. Ajustes sugeridos para o mercúrio Ganho do sensor de luz x1 Sensibilidade do sensor de luz Baixa(1x) Fenda colimadora #1 Fenda do sensor de luz #1 2. Substitua o tubo de hidrogênio pela lâmpada de mercúrio. Ajuste a altura do espectrofotômetro com o centro do orifício do suporte da lâmpada. 3. Posicione o sensor de luz de modo que a fenda fique ao lado do máximo central. 4. Pressione o botão Iniciar no painel do programa DataStudio e movimente vagarosamente o sensor passando pelo máximo central e todas as diferentes cores da região de primeiro máximo lateral (m=1). Pressione o botão Parar. 5. Usando o botão Texto ( A ) no topo do gráfico, marque os picos com as cores correspondentes das linhas espectrais. 6. Usando a ferramenta Smart (botão xy ) no gráfico, meça o ângulo entre o máximo central e o máximo de primeira ordem (m=1) para ao menos três diferentes cores. 7. Use os ângulos para calcular os comprimentos de ondas destas cores. Use a separação de linhas d determinado com o espectro de sódio. 8. Faca um esboço do gráfico obtido e salve a tabela com os dados coletados. 9. Confira com os valores aceitos para o comprimento de onda destas linhas e calcule a diferença percentual com os seus valores calculados. Dubleto do Mercúrio 1. Ajuste o ganho para x100 conforme a sugestão abaixo.
7 EA1 e EA2 Página 7 de 10 Ajustes sugeridos para o dubleto do mercúrio Ganho do sensor de luz x100 Sensibilidade do sensor de luz Baixa(1x) Fenda colimadora #1 Fenda do sensor de luz #1 2. Posicione o sensor de luz de modo que a fenda fique ao lado do máximo central. 3. Pressione o botão Iniciar no painel do programa DataStudio e movimente vagarosamente o sensor passando pelo máximo central e todas as diferentes cores da região de primeiro máximo lateral (m=1) e continue varrendo vagarosamente a região das linhas de segunda ordem (m=2). Pressione o botão Parar. 4. Usando a ferramenta Smart (botão xy ) no gráfico, meça o ângulo entre o máximo central e cada um dos dois máximos laranja de segunda ordem. Amplie a região das duas linha laranjas de modo a resolver ambas as linhas. 5. Use os ângulos para calcular os comprimentos de ondas destas linhas. Use a separação de linhas d determinado com o espectro de sódio. 6. Grave estes valores e confira com os valores aceitos para o comprimento de onda destas linhas e calcule a diferença percentual com os seus valores calculados.
8 EA1 e EA2 Página 8 de 10 FOLHA DE DADOS EXPERIMENTAIS PRIMEIRA PARTE Separação entre o máximo central e a linha amarela de primeira ordem da luz da lâmpada de Sódio: Esboço do espectro do tubo de Hélio Faça aqui sugestões de alterações no texto da apostila ou no procedimento experimental:
9 EA1 e EA2 Página 9 de 10 Esboço do espectro do tubo de Hidrogênio SEGUNDA PARTE Esboço do espectro de primeira ordem da lâmpada de Mercúrio. Esboço do espectro de segunda ordem da lâmpada de Mercúrio.
10 EA1 e EA2 Página 10 de 10 QUESTÕES QUE DEVEM SER RESPONDIDAS NA APRESENTAÇÃO PRÉVIA 1) Qual é a origem do espectro de emissão de um gás? 2) Descreva sucintamente o procedimento experimental a ser adotado. 3) Quais são as linhas (comprimento de onda ou freqüência) que se espera obter para as lâmpadas de Sódio e Mercúrio e para os tubos de Hidrogênio e Hélio? 4) Como são os dados que devem ser obtidos? 5) Quais são as limitações do equipamento a ser usado? 6) Quais cuidados devem ser tomados na realização deste experimento?
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