O Espectroscópio de Rede de Difração Fundamentos e Aplicações

O Espectroscópio de Rede de Difração Fundamentos e Aplicações

Introdução Em 1814, o físico alemão Joseph von Fraunhofer repetiu o experimento clássico de Newton ao passar um feixe de luz do Sol através de um prisma, entretanto, Fraunhofer expandiu o espectro das cores do arco-íris resultante descobrindo que o espectro solar continha centenas de finas linhas negras, que se tornaram conhecidas como linhas de absorção porque os raios de luz correspondentes às cores foram absorvidos por gases entre o sol e o observador. Fraunhofer contou mais de 600 linhas, e hoje os físicos já detectaram mais de 30 mil, ou seja, mais de 30 mil comprimentos de ondas diferentes absorvido por gases. Figura 1: Espectro do Sol empilhado

Introdução Por volta da metade do XIX, os químicos descobriram que poderiam produzir linhas espectrais em laboratório. Por volta de 1857, o químico alemão Robert Bunsen inventou um bico de gás especial que produz uma chama pura e constante. Certos elementos químicos são fáceis de identificar pelas cores características emitidas quando uma pequena porção deles é salpicada em uma chama de Bico de Bunsen. Figura 2: Bico de Bunsen Figura 3: Cloreto de Cálcio, Nitrato de Potássio e Cloreto de Sódio

Introdução Um colega de Bunsen, Gustav Kirchhoff, sugeriu que a luz de chamas coloridas poderia ser melhor estudada passando-a através de um prisma. Pela separação das cores os químicos poderiam ver exatamente quais estavam presentes. O processo de análise do espectro é chamando espectroscopia. Bunsen e Kirchhoff colaboraram na planejamento e construção do primeiro Espectroscópio. Este instrumento consiste em uma fenda estreita, um prisma e várias lentes que dirigem os raios de luz e magnificam o espectro de modo que possa ser examinado em detalhe. Assim descobriram que cada elemento químico produz seu próprio padrão característico de linhas espectrais. Assim surgiu a técnica de Análise Espectral. Figura 4: Primeiro Espectroscópio

Espectroscópio de Rede de Difração - Esquema Em Química e Física o termo espectroscopia é a designação para toda técnica de levantamento de dados físicoquímicos através da transmissão, absorção ou reflexão da energia radiante incidente em uma amostra. Por extensão, o termo espectroscopia ainda é usado na técnica de espectroscopia de massas, onde íons moleculares são manipulados por campos elétricos e magnéticos, apesar do termo largamente aceito ser espectrometria de massa. Lente L2 Fenda S1 Lente L1 Figura 5: Esquema de um Espectroscópio Telescópio Rede de Difração Colimador Fonte

Espectroscópio de Rede de Difração Câmera CCD (Dispositivo de carga acoplada) Figura 6: Espectroscópio

Figura 7: Comparação entre o Primeiro Espectroscópio e o utilizado atualmente

Descobertas Por volta da metade do século XIX, os químicos já tinham identificado elementos familiares como o hidrogênio, oxigênio, carbono, ferro, ouro e prata. A análise espectral prontamente levou à descoberta de elementos adicionais, muito dos quais muito raros. Depois de registrarem as linhas espectrais proeminentes de todos os elementos conhecidos, Bunsen e Kirchhoff começaram a descobrir outras linhas espectrais em amostras de minerais. Em 1860 eles encontraram uma nova linha na porção azul do espectro de uma água mineral. Depois de isolar quimicamente o elemento responsável pela linha, eles o chamaram de césio (do latim caesium, que significa cinza-azul ). Em 1861, uma nova linha espectral na porção vermelha do espectro de uma amostra mineral levou a descoberta do elemento rubídio (de rubidus, que significa vermelho ). Durante o eclipse solar de 1868, os astrônomos encontraram uma nova linha espectral na luz proveniente da atmosfera superior do Sol quando o corpo principal deste estava escondido pela Lua. Esta linha foi atribuída a um novo elemento, que foi chamado de hélio ( do grego hélios, que significa Sol ). O hélio só foi descoberto na Terra em 1895, ao ser identificado em gases obtidos de um composto de urânio.

Descobertas Durante alguns experimento, Bunsen e Kirchhoff examinaram o espectro de fontes quentes cuja luz fizeram passar através de um gás frio e observaram linhas de absorção escuras entre as cores do arco-íris criado pela fonte quente. (o mesmo que Fraunhofer havia constatado). Em outros experimentos, quando olharam justamente para um gás sem uma fonte quente atrás dele, viram linhas de emissão brilhantes contra um diferente fundo escuro. Combinando os resultados de ambos conjuntos de experimentos eles descobriram que as linhas de emissão de um gás ocorrem exatamente no mesmo comprimento de onda das linhas de absorção do gás. Figura 8: Espectro contínuo, de linha de emissão e de linha de absorção

Descobertas A figura 9 mostra uma porção do espectro de absorção do Sol junto com o espectro de uma amostra de ferro feito aqui na terra. Como as linhas espectrais de ferro aparecem também no espectro do Sol, podemos concluir, de uma maneira razoável, que a atmosfera do Sol contém algum ferro vaporizado. Este gás absorve certos comprimentos de onda do contínuo emitido abaixo dele. Figura 9: Ferro na atmosfera do Sol

Utilização Os dados espectrais são convertidos por um computador em um gráfico que relaciona a intensidade da luz em função do comprimento de onda. As linhas escuras no espectro colorido com as cores do arco-íris aparecem como depressões ou vales no gráfico, enquanto as linhas brilhantes aparecem como picos. Figura 10: Espectro de absorção Figura 11: Espectro de emissão

Aplicação Pode-se obter inúmeras informações sobre as estrelas, incluindo massa, temperatura de superfícies, diâmetro, composições químicas, taxa de rotação e se estão se aproximando ou se afastando de nós. Para análise e classificação de elementos químicos

Referências [1] COMUNS, Neil F., DESCOBRINDO O UNIVERSO, 8 Ed. 2010. [2] ESPECTROSCOPIA COM REDE DE DIFRAÇÃO EM GASES ELEMENTARES, USP, Laboratório Avançado de Física. [3] COSTA, Antonio Carlos da, FONTES DE LUZ, DETETORES E MONOCROMADORES; Nota experimental 12 [4] Espectroscópio, Disponível em: < http://www.fis.ita.br/labfis45/exps/e13.htm > [5] CATELLI, Francisco; LIBARDI, Helena, CDs COMO LENTES DIFRATIVAS, 2011 [6] O Espectro das Estrelas, Disponível em: < http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/claudia/espectrodasestrelas.html > [7] HALLIDAY; RESNICK, Fundamentos da Física, GEN - Grupo Editorial Nacional, 8ª Ed. 2011, v.4.

A luz de uma estrela que passa através de um prisma ou de uma rede de difração se decompõe nas suas cores componentes. De tais espectros podemos tirar uma incrível quantidade de informações sobre as estrelas, incluído suas massas, temperaturas de superfície, diâmetros, composições químicas, taxas de rotação e se estão se aproximando ou se afastando de nós.