Universidad de Las Fuerzas Armadas - ESPE: Docente: Ing - Darwin Alulema

 

 

Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE Departamento de Eléctrica y electrónica Herramientas de Software para ingeniería Ingeniería Electrónica y Telecomun Telecomunicaciones icaciones

Docente: Ing.Darwin Alulema

Estudiantes: Evelin Hidalgo,Carloz Veloz,Bryan Alvarado

 

 

ESPECTRO ATÓMICO DE LÍNEAS Hidalgo Cali Evelin Edith, Cayo Reinoso Brayan Sebastián Departamento de ciencias exactas, laboratorio de física, Universidad de las Fuerzas Armadas “E.S.P.E” Sangolquí, Ecuador. Facultad de Eléctrica y Electrónica, Universidad de las Fuerzas Armadas “E.S.P.E”, Ingeniaría en Telecomunicaciones, Sangolquí, Ecuador.

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Resumen de la práctica En el presente laboratorio se observó experimentalmente que cada cada átomo  átomo es capaz de emitir o absorber  radiación   radiación electromagnética,  electromagnética,  aunque solamente en algunas frecuencias que son características  propias de cada uno de los diferentes elementos químicos. Si, mediante suministro de energía calorí energía calorífica, fica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación emiten radiación en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión. Si el mismo elemento, también en estado en  estado de de gas,  gas,   recibe radiación electromagnética, absorbe en ciertas frecuencias del visible, precisamente las mismas en las que emite cuando se estimula mediante calor. Este será su espectro de absorción.

Palabras claves: Calorífico, radiación, electromagnético.

Summary of the practice (Abstract) In the present laboratory it was observed experimentally that each atom is capable of emitting or absorbing electromagnetic radiation, although only in some frequencies that are characteristic of each of the different chemical elements. If, by supplying heat energy, a certain element is stimulated in its gaseous phase, its atoms emit radiation at certain frequencies of the visible, which constitute its emission spectrum. s pectrum. If the same element, also in the gas state, receives electromagnetic radiation, it absorbs certain frequencies of the visible, precisely the same ones in which it emits when it is stimulated by heat. This will be your absorption spectrum.

Keywords: Calorific, radiation, electromagnetic.

 

 

1.  OBJETIVO

Analizar y determinar los niveles de energía de diferentes elementos químicos gaseosos.

2.  MARCO TEÓRICO El átomo de hidrógeno Es el átomo más simple existente y el único que admite una solución analítica exacta desde el punto de vista de la mecánica cuántica. cu ántica. El átomo de hidrógeno, es conocido también como átomo mono electrónico, debido a que está formado por un protón que se encuentra en el núcleo del átomo y que contiene más del 99% de la masa del átomo, y un sólo electrón que "orbita" alrededor de dicho núcleo (aunque también pueden existir átomos de hidrógeno con núcleos formados  por un protón y 1 o 2 neutrones adicionales, llamados deuterio y tritio). Se puede hacer una analogía pedagógica del átomo de hidrógeno con un sistema Solar, donde el sol sería el único núcleo atómico y que tiene la mayor cantidad de masa 99% y en su órbita tuviera un planeta (Electrón) que conformaría el 1% restante de la masa del sistema solar, esto hace que el hidrógeno sea el más má s simple de todos los elementos de la tabla periódica.

Estado excitado: La excitación es una elevación en el nivel de energía de un sistema físico, por encima de un estado de energía de referencia arbitrario, llamado estado

fundamental. En física hay una definición técnica específica para el nivel de energía que se asocia a menudo con un átomo está siendo excitado a un estado excitado de mayor energía.

 

 

Espectros atómicos:  Cada átomo es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunque solamente en algunas frecuencias que son características  propias de cada uno de los diferentes elementos químicos.

El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro es pectro de emisión de cada el elemento emento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido.

El espectro de absorción   de un material muestra la fracción de la radiación electromagnética incidente que un material absorbe dentro de un rango de frecuencias. Es, en cierto sentido, el opuesto de un espectro de emisión. Cada elemento químico posee líneas de absorción en algunas longitudes de onda, hecho que está asociado a las diferencias de energía de sus distintos orbitales atómicos. De hecho, se emplea el espectro de absorción para identificar los elementos componentes de algunas muestras, como líquidos y gases; más allá, se puede emplear para determinar la estructura de compuestos orgánicos. Un ejemplo de las implicaciones de un espectro de absorción es que aquel objeto que lo haga con

 

los colores azul, verde y amarillo aparecerá de color rojo cuando incida sobre él luz blanca.

Estas características se manifiestan ya se trate de un elemento puro o bien combinado con otros elementos, por lo que se obtiene un procedimiento bastante fiable de identificación. Podemos, en definitiva, identificar la existencia de determinados elementos químicos en la composición de sistemas inaccesibles, como pueden ser objetos astronómicos, planetas, estrellas o sistemas estelares lejanos, aparte de que, también, y debido al Efecto Doppler-Fizeau, podemos establecer establece r una componente de velocidad de acercamiento o alejamiento de nosotros.

Difracción: Es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. Ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir dive rgir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

 

Red de difracción: Es un componente óptico con un patrón regular, que divide (difracta) la luz en varios haces que viajan en diferentes direcciones. Las direcciones de esos haces dependen del espaciado de la red y de la longitud de onda de la luz incidente, de modo que la red actúa como un elemento dispersivo. dispersi vo. Gracias a esto, las redes se utilizan habitualmente en monocromadores y espectrómetros. Cuando a un electrón dentro de un sistema estable se le entrega la energía externa, este realiza un salto cuántico a un nivel de energía superior, cuando esta energía externa deja de actuar, el electrón excitado excit ado tiende a volver a su nivel de energía básica en esta transición, el electrón emite un fotón de energía igual a la que recibió para  pasar al nivel excitado de energía. Muchas de estas transiciones están en la región visible del espectro electromagnético, lo cual nos permite establecer un sencillo experimento para establecer directamente la frecuencia o longitud de onda del fotón emitido y usando la relación de Max Planck  podemos determinar su energía y así comparar con los valores teóricos. Para el átomo de hidrogeno se cumple que:

En= -13,607 Z2/n2 [ ]  Dónde:

Z es el número atómico  N es 1, 2, 3,... (enteros (enteros positivos)

 Nos disponemos disponemos a obtener el valor de la ubicación de las líneas del espectro del átomo de hidrogeno. Para lograr nuestro objetivo en esta experiencia, es necesaria la implementación de una lámpara de hidrogeno a baja presión que emita radiación electromagnética, la cual será primeramente enfocada por un lente hacia una rendija que colimara la radiación y luego enfocada nuevamente hacia una red de difracción,  para que pueda incidir en una pantalla translucida colocada a una determinada distancia, que nos permitirá observar y analizar el fenómeno.

 

  En esta experiencia es necesario utilizar: utiliz ar: una lámpara de hidrogeno a baja presión que se alimenta por una fuente de 220 v. para la mejor observación del fenómeno se obtiene una configuración determinada con un lente focal f=50mm y uno f=100mm

3.  EQUIPO   Fuente de alta tensión



  Reóstato



  Lámparas espectrales de mercurio e hidrógeno



  Espectroscopio



  Fuente de Luz



  Fuente de difracción de 600 rayas/mm



4.  PROCEDIMIENTO 4.1.Utilice el soporte vertical para asegurar la lámpara espectral, cuidando de no apretar demasiado los soportes horizontales  4.2.Conecte los terminales de la fuente de tensión a los del reóstato y encienda dicha fuente 4.3.Coloque el colimador del espectroscopio de 0,05 a 0,10 m de la lámpara espectral e igualmente la lámpara de luz respecto del visor de escala   4.4.Desplazando y rotando el espectroscopio, localice al espectro emitido y la escala. No modifique esta geometría del experimento   4.5.Anote cada lineal espectral, su color y su correspondiente valor de escala. Repita este procedimiento con cada lámpara espectral.

 

 

5.  TABULACIÓN DE DATOS Los datos obtenidos ordénelos en las siguientes tablas:

Elemento: Hidrogeno  Color 

Practico Longitud de Onda (m)

Escala

(λ= nm ) 

Rojo 

0.37

647,66

Amarillo 

0.58

496,18

Verde

0.55

518,02

Morado 

0.41

405.28

 = −33,66315032 −33,66315032 ∗ ()+772,21783745

Elemento: Mercurio  Color 

Practico Longitud de Onda (m)

Escala

(λ= nm ) 

Naranja 

0.61

577.57

Amarillo

0.11

565,022

Verde

0.60

548,290

Rojo 

0,65

445,801

 = −20,9153676 −20,9153676 ∗ ()+673,78235072

6.  PREGUNTAS: el emento a colores.   A.  Construya una tabla de espectros para cada elemento Espectro de emisión del Hidrogeno.

Espectro de absorción del Hidrogeno.

 

 

Hidrogeno (H)  Color

Experimental (nm)

Teórico (nm)

rojo

647,66

656,3

Verde Azulado

496,18

486,1

violeta

405.28

410,1

Espectro de emisión del Mercurio.

Espectro de absorción del Mercurio.

Mercurio (Hg)  Color

Experimental (nm)

Teórico (nm)

amarillo

565.022

575

verde

565,022

546

violeta

445,801

435

Naranja

577,57

587

B.  Usando la relación de Planck, obtenga las energías relativas para cada nivel, de todos los elementos utilizados y construya el diagrama de niveles de d e energía.   Aplicamos la fórmula:

 

(ℎ)() 1      ∗  1,6022 − 19  Donde h = constante de Planck c = velocidad de la luz =

MERCURIO Escala:  = −20,91536 −20,9153676 76 ∗ ()+673,78235072  Color 

Practico  

Longitud de Onda

(m) 

Energía (eV) 

(λ= nm ) 

Naranja 

0.61

577.57

2,143052468

Amarillo

0.11

565,022

2,185055117

Verde

0.60

548,290

2,262124301

Rojo 

0,65

445,801

2,782004422

Energía (eV) 4

   a    i    g    r    e 3    n    E    e     d 2    s    e     l    e 1    v    i    N

0 2.14

2.19

2.26

2.78

Energia (eV)

HIDROGENO Escala:  = −33,66315032 ∗ () +772,21783745  Longitud de Onda Energía (eV)  Color  Practico   (x) 

(λ= nm ) 

Amarillo 

0.58

647,66

1,193213581

Verde

0.55

496,18

2,521938812

Morado

0.41

405.28

3,065308386

 

Hidrógeno (Longitud de Onda) (nm)  Valores Prácticos

Valores Teóricos

647,66

656,3

496,18

486,1

405.28

434

Energía (eV) 3

   a    i    g 2.5    r    e    n 2    e    e     d 1.5    s    e 1     l    e    v    i 0.5    N

0 1.91

2.5

3.06

Energia(eV)

 

C.  Compare tres de sus niveles obtenidos experimentalmente con los respectivos valores teóricos y explique el porqué de las diferencias. difere ncias.

 

  Las diferencias se dan por imprecisión en la toma de datos y el error en la toma de los valores frontera del espectro.

D.  ¿Por qué son diferentes los espectros de los distintos elementos? Porque la energía transmitida a los átomos de cada elemento generará diferentes saldos cuánticos y, por ende; diferentes espectros de luz. Cada átomo es diferente, difer ente, cada uno tiene diferente número de protones, y electrones, así como también diferente número de órbitas. Por lo tanto, cada elemento tendrá su espectro que no sólo es diferente sino característico del mismo y permite identificarlo.

E.  Para el espectro de hidrógeno; establezca el error experimental respecto a los valores teóricos, en sus longitudes de onda.

Elemento: Hidrógeno Color

Longitud de Onda (10-9 m)

Rojo

608

3,6

Verde Azulado

558

6,1

Turquesa

518

8,1

Violeta

460

11

 =

Escala

 ó −  á  ó

 

656,4 6,4 − 608 608   = 65 656,4  = 0,074  El error experimental respecto a os valores teóricos obtenidos equivale a

 = , ,  

F.  El Espectro que usted observo, ¿es de absorción o emisión? El espectro observado es de emisión ya que el experimento se llevó a cabo mediante la excitación de las moléculas de los diferentes gases que se encontraban relativamente puros lo cual permite la emisión de radiación que a su vez produce

 

los característicos espectros observados en cada gas. Cada elemento emite un conjunto característico de longitudes de onda.

G.  ¿A qué se debe la existencia de varios valores de energía (colores) que no concuerdan con la teoría desarrollada? Esto sucede por factores externos suscitados en el laboratorio que llegan a influir en el procedimiento de la práctica, como son la preparación de los instrumentos, la apreciación humana y en mayor grado el grado de pureza que tienen los elementos puestos a prueba. Por todo esto al momento de realizar la experimentación, dichos elementos emitieron longitudes de onda que no concordaban con su estructura química, revelando así los colores que no concuerdan con la teoría desarrollada. Por todas estas situaciones se realiza el cálculo de error porcentual con el fin de dar veracidad a los datos obtenidos.

H.  Suponga que usted no tuviera ningún dato de referencia inicial para relacionar longitud de onda con escala. Sugiera algún método para relacionar la lectura de escala con la longitud de onda correspondiente. Un método puede ser relacionando mediante comparación de los colores de una tabla de espectros.

7. CONCLUSIONES: En conclusión:

  Se pudo comprender la existencia de diferentes espectros de luz con diferentes



elementos químicos y sus características.

  Los espectros son diferentes y variados por la composición atómica del átomo,



así como por la diferenciación en los niveles de energía.   La razón por la que se estableció experimentalmente la energía y longitud de



onda y varía con respecto a la teórica te órica ,debido a que los elementos no se pueden encontrar puros en la naturaleza.

  La



radiación

electromagnética

con

una

longitud

de

onda

entre

aproximadamente 400 nm y 700 nm es detectada por el ojo humano y  percibida como luz visible.

8.RECOMENDACIONES

 



  Tabular los datos técnicos de manera correcta con el fin de que los resultados sean correctos.

  Desde el comienzo de nuestra practica hasta finalizar la misma siempre ser



ordenado ya que como realizamos dichas prácticas en grupo es fácil confundirse y perder el hilo de la clase por lo tanto una buena organización y orden de los materiales harán que nuestro trabajo sea más sencillo y preciso.

9. BIBLIOGRAFÍA FISICALAB. https: // www. fisicalab.com [1]Fenandez, José, Onda mecánicas, FISICALAB. https: /apartado /ondas-mecanicas#contenidos

[2]Rabfis, (2018), Física/Electromagnetismo/Propiedades de las ondas electromagnéticas. WIKILIBROS. https: //es .wikibooks.or g/wiki/F%C3%ADsica/Electromagnetismo/ g/wiki/F%C3%ADsica/Electromagnetismo/ Propiedades _de _las  _ondas_electromagn%C3%A9ticas

[3]Palacio,Euskalduna,(2019),Patrón de interferencia de ondas  periódicas.EXPERIENTIA DOCET. https://culturacientifica.com/2018/12/11/patronDOCET. https://culturacientifica.com/2018/12/11/patronde-intereferencia-en-ondas-periodicas/