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PRÁCTICA # 2. BASE EXPERIMENTAL DE LA TEORÍA CUÁNTICA COMPETENCIAS A DESARROLLAR: *Explicar el efecto fotoeléctrico. *Resolver problemas de longitud de onda y frecuencia del espectro de la luz visible. PROPÓSITO: Comprobar experimentalmente el fenómeno del efecto fotoeléctrico y determinar la longitud de onda de las líneas espectrales de diferentes elementos, para comprender la Teoría del modelo del átomo mecánico-cuántico. CONOCIMIENTOS PREVIOS ¿En qué consiste la teoría de Planck? Consiste en el caculo de la energía de un fotón Planck estableció que la energía se radia en unidades pequeñas llamadas cuantos. ¿Qué estudia la espectroscopia? Es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Tiene aplicaciones en química, física y astronomía, entre otras disciplinas científicas. ¿Qué es un espectro y su clasificación? Son las longitudes de calor que se obtiene al descomponerse las radiaciones que cada cuerpo emite cuando se excita (ya sea por la amplitud de calor). Se clasifican por emisión que se derivan dos continuo y líneas. Absorción que se derivan dos bandas y líneas. ¿Cómo está integrado el espectro electromagnético de la luz visible? el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas ¿Qué significado tienen las líneas negras en el espectro de absorción? La falta de bandas absorbentes.

¿Qué es un cuerpo negro? Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro.

¿Qué es y cómo funciona una fotocelda? es una resistencia, cuyo valor en ohmios varía ante las variaciones de la luz incidente. Una fotocelda presenta un bajo valor de su resistencia ante la presencia de luz, y, un alto valor de resistencia ante la ausencia de luz Con base a las preguntas anteriores, redacta lo siguiente: OBJETIVO El objetivo de la práctica es conocer e identificar los diferentes tipos de espectros que existen y como están clasificados, también el funcionamiento de una foto celda con el efecto fotoeléctrico, conocer un espectrómetro. HIPÓTESIS A continuación damos a conocer la hipótesis de la practica número 2 en la cual decimos que los espectros se clasifican en dos tipos que son los de adsorción y los de emisión. así como la observación de los dos tipos de espectros y la comprobación de la teoría de Max plank y el poder observar las distintas bandas de un espectro en la cual creemos que nos va adrar como resultado que los espectros se interponen a una de terminada distancia.

MARCO TEÓRICO Teoría de max planck Concepto

de

un

Es el caculo de la energía de un fotón planck estableció que la energía se radia cuerpo Es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la

negro Concepto de una fotocelda

luz y toda la energía radiante Es una resistencia, cuyo valor en ohmios varía

Concepto de un espectro

ante las variaciones de la luz Son longitudes de calor que se tienen al descomponerse las radiaciones

CANT. DESCRIPCIÓN DEL MATERIAL Y EQUIPO 6

REACTIVOS

1

Asas Agua destilada Equipo para demostrar aplicaciones del efecto Cloruro de bario fotoeléctrico Espectroscopio Cloruro de calcio Cloruro de Extensión de 2m con foco de 100 W no ahorrador estroncio Frasco de vidrio ámbar Cloruro de litio

1

Frasco de vidrio transparente

Cloruro de potasio

1

Mechero Bunsen

Cloruro de sodio

2

Termómetro

6 1

Vidrios de reloj Vaso de precipitado de 50 mL

1 1 1

DESARROLLO EXPERIMENTAL. EXPERIMENTO 1: 1. Colocar dentro de cada uno de los frascos de vidrio (transparente y ámbar), un termómetro, registra la temperatura inicial y toma lecturas cada 5 minutos durante 30 minutos.

EXPERIMENTO2: (EFECTO FOTOELÉCTRICO)

Dejar pasar luz Orificio dejar pasar luz 2

Tapar no Orificio 3

Orificio Abierto solar Fotoceld a abierta

Orificio tapado Fotoceld a cerrada

1. Conecte el equipo para demostrar aplicaciones del fenómeno del efecto fotoeléctrico. (Fig. 1) * 2. Encienda y dirija el orificio 1(donde se encuentra la foto-celda) hacia una fuente de luz (luz solar), observe el orificio 2.Para la imagen de la izquierda; coloque la tapa gris oscura sobre el circuito y espere a que encienda la lámpara 3. Tape el orificio 1 (evite llegue luz a la foto-celda) y observe el orificio 3. Para la imagen de la izquierda destape el circuito espere un tiempo y observe

EXPERIMENTO 2A: (ESPECTROSCOPÍA DE SALES) 1. Coloque el mechero encendido en la ranura del colimador (Tubo A) y queme con la ayuda de un asa de micromel (o platino) cloruro de sodio. La flama del mechero en ese momento adquiere un color diferente.

Luz

COLIMADOR(TUBO

3. Observe por el ocular (Tubo C) la línea amarilla del espectro de sodio y anote en que parte de la escala aparece. Escala delEspectroscopio

N

1 9

2

Na

4

5

6

7

8

10

Nota: Si la línea amarilla del Sodio aparece en la escala a la altura del símbolo Na. Esto nos indica que el espectroscopio esta calibrado. En caso de no coincidir debe calibrarse. (Llamar al instructor o al jefe del laboratorio para que el sea el responsable de calibrar; el alumno no debe calibrar). 4. Repita el procedimiento 2 y 3 para las demás sales.

EXPERIMENTO 2B: (ESPECTROSCOPÍA DE FOCOS)

1. Colocar a la altura del colimador el foco y conectar a la corriente eléctrica.

LAMPARA FLUORESCENTE

LAMPARA DE TUNGSTENO

2. Ahora, observe por el ocular del espectroscopio el espectro a partir del valor cero de la escala, (En caso de los espectros de emisión de líneas, cada línea del espectro se localiza en un valor de la escala.) Anotar el color de la línea del espectro y el valor de la escala donde se localiza. (En caso de un espectro de emisión continuo anotar el color observado y los 2 valores de la escala que indican el rango donde se localiza.).

3. Cambie la lámpara de tungsteno (incandescente), por la lámpara fluorescente y repita observaciones.

Elaboración de curva de calibración

1. Tome las lecturas de la escala de las líneas roja del Litio, la del Sodio y la azul de Estroncio, investigue en libros la longitud de onda que le corresponde a cada línea. Con los datos de la lectura de la escala y la longitud de onda investigada para cada línea espectral grafique su curva de calibración (lectura de la escala vs longitud de onda)

Longitud de onda en nm

2.

Para cada espectro observado, interpole en la curva de calibración la

lectura de la escala obtenida de cada una de sus líneas espectrales, para conocer su longitud de onda correspondiente.

RESULTADOS: Elaboren un cuadro y gráfico para representar los incrementos de temperatura en cada uno de los frascos del experimento 1.

CONCLUSIONES: Al realizar esta práctica pude ver que los cuerpo negros absorben mayor cantidad de energía que los blancos lo cual se ve reflejado en el aumento de su temperatura puesto que para que un experimento sea bueno debe realizarse

varias veces y fue lo que logramos al medir la temperatura cada 10 minutos , además en el experimento dos A y B se nos permitió observar los espectros producidos por la luz donde vimos colores de diferentes materiales lo cual nos indica que son las longitudes de ondas que pueden ser percibidas por el ojo humano, por ultimo solo puedo decir que el espectro a la flama se ve producido cuando una sustancia es expuesta ante ella y da una coloración única debido a su longitud de onda, además en estos experimentos se puede notar que la lámpara de tungsteno su intensidad de luz es más fuerte por lo que pienso que la resistencia hacia el paso de los electrones en el filamento es mucho mayor a la reacción que se produce con el gas en la lámpara fluorescente, en el experimento número dos del efecto fotoeléctrico se comprueba más que nada este efecto porque al no llegar luz a la placa de metal no desempeña su función y es lo que ocurre con las lámparas de alumbrado público. Luis Alberto Vilchis López

Depuse de haber elaborado la práctica numero dos he llegado a la conclusión de que un efecto foto eléctrico es la obstrucción del paso de corriente cuando no hay luz y es viceversa cuando hay luz podría decir que el espectroscopio es un aparato el cual mide la intensidad o la energía radiante como lo pudimos observar con los focos en el caso del foco incandescente observe una mayor cantidad de

líneas rojas en cambio en el foco ahorrador identifique 5 colores diferentes en los culés no existía el rojo y ahora puedo clasificar a los focos como espectros de emisión lineal al foco ahorrador y como espectro continuo al foco incandescente observe de que el vaso obscuro fue el que mayor temperatura al canso en el lapso de 30 minutos por lo que es un material obscuro y guarda más fácil mente la temperatura en cambio el transparente no guarda temperatura observe los diferentes tipos de colores que tomaron las distintas sustancias al ponerlas en la llama del mechero de Bunsen como el color que tomo el cloruro de cobre que fue verdusca. ANGEL ANTONIO ZOZAYA COELLO

CUESTIONARIO: 1. ¿En qué frasco aumenta más rápido la temperatura y por qué? Se observo que el cuerpo blanco mantuvo una constante en la elevación de latem peratura de los 10min a los 15 min en comparación del cuerpo negro que absorbió mayor cantidad D de energía mostrado en los tiempos y en los resultados

obtenidos. A partir de ello podemos llegar a la conclusión que el cuerpo negro es capaz de absorber mayor cantidad de energía lo que produce un aumento en su temperatura mayor que en el cuerpo blanco. 2. ¿Qué científicos estudiaron este fenómeno y a qué conclusión llegaron? -Gustav Robert Kirchhoff (12 de marzode1824-17 de octubrede1887) Conclusión: utilizo un horno y midió la emisión que salía por un agujero, pero los resultados fueron difíciles de interpretar. -Josef Stefan (24 de marzode1835– 7 de enerode1893) Conclusión: postula que el poder emisor de un cuerpo negro (la potencia, o lo que es igual: la cantidad de energía por segundo) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura -Wien-Golitzin Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (13 de enero de 1864 - 30 de agosto de 1928) Conclusión: postula que al elevarse la temperatura del cuerpo negro, la longitud deo n d a c o r r e s p o n d i e n t e a l m á x i m o d e l e s p e c t r o v a h a c i é n d o s e m á s p e q u e ñ a , desplazándose hasta el violeta. -Rayleigh y Jeans John William Strutt Rayleigh . (12 de noviembre de 1842 - 30 de junio de 1919) Sir James Hopwood Jeans (11 de septiembre de 1877 – 16 de septiembre de 1946) Conclusión: Modelizaba el comportamiento del cuerpo negro utilizando el modelo clásico. Esta ley predice una producción de energía infinita a longitudes de onda muy pequeñas. Esta situación que no se corrobora experimentalmente es conocida como la catástrofe ultravioleta. Max Karl Ernst Ludwig Planck (23 de abril de 1858 – 4 de octubre de 1947) Conclusión: La radiación no se emite de forma continua, va en paquetes pequeñísimos pero invisibles llamados quanta. 3. Menciona 3 aplicaciones del efecto fotoeléctrico Puertas donde se cuentan el número de personas que pasan. Luces del alumbrado público y un tipo de detector de incendios. 4.

¿Por qué la teoría clásica, no puede dar una explicación lógica, al fenómeno

del efecto fotoeléctrico? Se ha descubierto que una fotocorriente se observa en el instante en el que se ilumina el fotomaterial. Así, mismo, no se produce fotoemisión con una luz que

posea una frecuencia por debajo de cierta frecuencia de corte f0. Al aplicar la teoría clásica, los cálculos demuestran que se necesita mucho tiempo para que un electrón adquiera suficiente energía de las ondas luminosas continuas y pueda liberarse del material. La energía de la onda depende del material y no de la frecuencia. Una onda luminosa de bastante intensidad, aun con una frecuencia menor que f0, debería ser capaz de liberar electrones del material. 5. ¿Qué metales y porqué presentan mayor facilidad para liberar electrones? Cuando los metales o sus compuestos, se calientan fuertemente a temperaturas elevadas en una llama muy caliente, la llama adquiere colores brillantes que son característicos de cada metal. Los colores se deben a átomos del metal que han pasado a estados energéticos excitados debido a que absorben energía de la llama; los átomos que han sido excitados pueden perder su exceso de energía por emisión de luz de una longitud de onda característica. Los compuestos de estos elementos contienen a los átomos metálicos en forma de iones positivos en el estado sólido, no obstante, cuando se calientan a la elevada temperatura de una llama se disociandando átomos gaseosos y no iones. Generalmente los metales alcalinos. 6.- ¿Qué sucede con la energía de los electrones si variamos la intensidad de la luz y qué pasa si variamos la frecuencia de la luz? Cuando los átomos son excitados, los electrones son elevados a las orbitas o niveles más altos de energía desde el núcleo. Los electrones generalmente permanecen en los niveles más elevados durante fracciones de segundo y luego retornan de modo espontaneo a sus orbitas normales. Cuando lo hacen, se emite energía en forma de luz o radiación electrónica, con distintas frecuencias de luz correspondientes a las transiciones entre diversos niveles u orbitas de energía. 7. ¿De qué depende que cada elemento presente determinado tipo de espectro? Por un cambio en los niveles de energía de algunos electrones los átomos de los elementos. Para un elemento particular la coloración de la llama es siempre la misma, independientemente de si el elemento se encuentra en estado libre o combinado con otros.

8. ¿Por qué se utilizan sales cloradas para observar los espectros de los elementos y no otro tipo de sal? Las sales que son sublimables o con bajo punto de ebullición se vaporizan fácilmente, mientras que aquellas que se descomponen en la llama para dar óxidos estables, tales como magnesio, aluminio o calcio, no se vaporizan completamente a las temperaturas de las llamas ordinarias. 9.

Investiga las longitudes de onda de cada uno de los elementos utilizados y

compare con las que obtenga en su gráfica. KCl Morado 400-450 nm SrCl Rojo 620-750 nm LiCl Rojo 620-750 nm BaCl2 Amarillo-verdoso (verde limón) 495-590 nm CuCL2 Azul-verdoso 450 - 495 nm NaCl Amarillo-naranja 570-590 nm CaCl2 Naranja-rojizo (rojo ladrillo) 590-620 nm

BIBLIOGRAFÍA: •

física con aplicaciones, Jerry Wilson, 2ª edición 2000.Mc Graw Hill.

• QUIMICA, octava edición 2005, DAUB, SEESE, CARRILLO, GONZALES, NIETO, ed. Pearson Prentice hall. • QUIMICA Y REACTIVIDAD QUIMICA, sexta edición 2005, Ed. THOMSON, KOTZ, TREICHEL, WEAVER. • QUIMICA ANALITICA CUANTITATIVA, quinta edición, Othoniel Almeyda bautista. Ed. Producción supervisión e interior designado. • Chang, R. Química. Mc Graw Hill, 1991. En conclusión esta práctica nos ayudó mucho ya que aprendimos a observar por un espectroscopio los espectros emitidos por la luz de un foco economizador y la de un foco común, nos dimos cuenta que la escala está basada desde 4 a 11 en la

primer experimentación nos dimos cuenta que el foco economizador nos representó 5 colores en la escala de 4 a 11 los colores eran verde fosforescente, verde claro, azul incandescente, morado y un color café claro, esto nos dice que con este foco es más clara la luz lo que hace que se vean mejor los espectros, y con el foco incandescente de 60 watts nos presentó los colores verde, azul, celeste, morado y café en la misma escala que la anterior mencionado, pero con este foco los espectros (colores) no se alcanzan a ver con gran magnitud como la del foco economizador, en el segundo experimento Primero que nada, utilizamos el “espectro de la luz blanca”, para notar y darnos cuenta de las variedad de colores que podíamos obtener de la llama al comenzar con el experimento y notar las magnitudes de ondas que alcanza cada compuesto. Luego de esto, se nos dieron 5 muestras diferentes, de las que sacamos una pequeña cantidad. Posteriormente en una varilla de hierro húmeda con ácido clorhídrico pusimos una pequeña muestra de la sustancia y notamos los siguientes resultados: Cloruro de sodio: El resultado fue una llama de color naranja intenso a la altura de 2.5 de la escala del espectroscopio, lo que nos indicó que había presencia de Sodio (Na),Cloruro de bario: El resultado fue una llama de color amarillo verdoso la altura de 2.4 de la escala, lo que significa la presencia de Bario (Ba). Cloruro de estroncio: El resultado fue una llama color rojo a la altura de 2 en la escala, lo que nos indicó que había presencia de estroncio (sr) y en el último experimento vimos cómo funciona una fotoceld con la teoría de los fotoelectrones. IVAN ALEJANDRO LOPEZ AQUINO