GRUPO HEUREMA. EDUCACIÓN SECUNDARIA

ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA

sección: PRÁCTICAS DE FÍSICA
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Calibración de un espectrómetro y medición de  longitudes de onda de las líneas de un espectro

Objetivo

·        Obtener la curva de calibración de un espectrómetro de red de difracción.

·        Determinar la longitud de onda promedio  del doblete característico del sodio.

·        Medir la constante de la red de difracción utilizada.

·        Observar espectros de otros elementos.

Material

Reactancia                                          Carrete de Ruhmkorf             Transformador 12 V 

Lámpara de Hg                                   Lámpara de Na                      Tubo con Helio              

Tubo con Hidrógeno                           Espectrómetro de red       

Red de difracción de 80 líneas/mm       Red de difracción de 600 líneas/mm

Fundamento 

Las sustancias en estado gaseoso cuando son excitadas pueden emitir una radiación característica de la misma, su análisis constituye el  estudio del espectro.  Al emplear como fuente patrón el mercurio, es necesario en primer lugar vaporizarlo mediante el calor que proporciona una resistencia eléctrica, para que después mediante colisiones entre los átomos de Hg excitados, se produzca la emisión de radiación electromagnética.

En los tubos de descarga al establecer una alta diferencia de potencial entre los electrodos se produce un paso de electrones a través del gas a baja presión (descarga disruptiva), que excita a los átomos del gas por colisiones, de modo que al relajarse y volver a sus estados fundamentales, emiten esa energía en forma de radiación característica de la sustancia. 

Fotografía del montaje

Procedimiento

Se utilizará  como patrón  de  calibrado,  el  espectro   del   mercurio y   posteriormente se medirán las líneas amarillas del espectro del sodio y del helio.

Para observar el espectro y efectuar las medidas, basta colocar la lámpara frente a la rendija de entrada del espectrómetro Fig.1. y encenderla, alimentándola con corriente desde la reactancia, cuya entrada se conecta a la red eléctrica a 220 V.  Después se espera unos minutos hasta que se estabilice la lámpara.

Actuando sobre el tornillo de la rendija de entrada, regulará su apertura para optimizar la anchura de las líneas.           

Observando por  el ocular sitúe el máximo central de difracción, sobre la línea vertical de la cruz y apretando el tornillo “A” situado debajo, se fija la posición. Después  se afina con el ajuste fino, tornillo “B” ", situado bajo el ocular y a su derecha.  (El ajuste fino no funciona en ninguna posición, si no está apretado previamente el tornillo A).

Una  vez localizado  el máximo central,  deberá mover  ligeramente  todo el  conjunto  del aparato respecto de la lámpara, con el fin de que la iluminación observada por  el  ocular sea la mejor posible.

 

Fig.1

 

Obtención de la curva de calibración de un espectrómetro de red de difracción.

Anote la posición angular del máximo central en el limbo graduado.

Posición del máximo central     Fo =

 

Para buscar las líneas del espectro que están situadas a uno y a otro lado del máximo central es necesario girar el ocular, lo que requiere desbloquear antes el tornillo “A”.  Las líneas que estén próximas entre sí, se pueden localizar actuando solamente sobre el ajuste fino “B”.

Realice un barrido con el ocular y empleando siempre el ajuste fino, localice las distintas líneas del espectro y anote sus posiciones angulares F en la TABLA I. En el caso de que aparezca un doblete (II), considérelo como una sola línea midiendo la posición angular del centro. En la TABLA I se dan las longitudes de onda correspondientes a las líneas cuya posición angular ha de ser localizada.

 

                                                                    TABLA I

Línea

Longitud de onda  l/nm

F

Fo

Violeta

404,8

 

 

 

Azul-violácea

435,8

 

 

 

Verde (I)

495,9

 

 

 

Verde manzana intensa

546,1

 

 

 

Amarilla (doblete)

580,0

 

 

 

Anaranjada

615,2

 

 

 

Roja (última)

671,6

 

 

 

Representar gráficamente la longitud de onda λ en nm, frente a los valores de  en grados. Uniendo los puntos correspondientes obtendrá la gráfica de calibración.

Con la gráfica de calibrado del aparato, se está en condiciones de medir longitudes de onda de luces desconocidas, sin mas que determinar la posición angular de las líneas en el limbo graduado.

 

Determinar la longitud de onda promedio del doblete característico del sodio.

Sustituya ahora la lámpara de Hg por la de Na. Enciéndala y espere el tiempo necesario hasta que se estabilice la descarga y aparezca su calor amarillo característico. Mida la posición angular del máximo central  Fo =        

 

Determine la posición angular correspondiente al centro del doblete del sodio F =          

Calcule el ángulo de dispersión  y lea en la gráfica de calibrado la longitud de onda correspondiente a la línea considerada.

Valor de la longitud de onda:   l =            nm

 

Medida de la constante de la red de difracción utilizada.

El sistema dispersor de las luces de distintas longitudes de onda que llegan en grupo al espectrómetro, es una red de difracción que tiene un cierto número "N" de rayas por milímetro y cuya constante de la  red es "d" (distancia entre puntos correspondientes de dos rayas contiguas).  Como se verifica  que la constante de la red es  inversamente proporcional al número de rayas, resulta:

1

Los máximos de   intensidad se producen en aquellos puntos, en los que la diferencia  de marcha entre  los rayos  difractados,  es un número entero de longitudes de onda.

 

 

 Donde q  es el ángulo de dispersión  y "n" es el orden de difracción, que toma los valores: 0, 1, 2...; para el máximo central, el de primer orden, el de segundo orden, etc.

Consecuentemente, las longitudes de onda observadas, deben ser proporcionales al seno del ángulo de dispersión q.

De la ecuación se deduce que la red de difracción dispersará la luz un ángulo q distinto, según  su color, caracterizándose éste físicamente, por el valor de la longitud de onda.

Si centramos nuestra atención en el espectro de primer orden (compuesto por todos los máximos de primer orden) n = 1,  la ecuación queda:

.

Si se representa gráficamente λ en función del sen q, deberá obtenerse una recta, cuya pendiente proporcione "d". Complete la TABLA II.

TABLA II

Línea

Longitud de onda  l/nm

sen

Violeta

404,8

 

 

Azul-violácea

435,8

 

 

Verde (I)

495,9

 

 

Verde manzana intensa

546,1

 

 

Amarilla (doblete)

580,0

 

 

Anaranjada

615,2

 

 

 

Represente  gráficamente  λ=f(sen θ) y calcule la pendiente en nanómetros, para pasarla después a mm.  Esta pendiente corresponde con el parámetro de la red “d”, determinando su valor inverso se halla el número de líneas por mm de la red de difracción empleada.

  líneas/mm

 

Finalmente, cambie la red de difracción actual, de 600 líneas/mm, por la de 80 líneas/mm y observe y describa los espectros de líneas del He y del H.

Para medir la longitud de onda de las rayas del espectro del helio, utilice de nuevo la red con la que trabajo con el espectro del mercurio, que ya tiene calibrada y calcule el error cometido en cada una de las medidas

SOLUCIÓN