laboratorio espectrografía atómica

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[email protected] o, [email protected] u.co Laboratorio de Física Moderna Espectrografía Ciro Fernando Gélvez  , 1Paula Siaucho Unriza  , 2‡  1 Departamento de Física e Ingeniería Mecánica. 2 Departamento de Física y Microbiología Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia 12-08-2014 RESUMEN 1. INTRODUCCIÓN Retomando la introducción del informe espectro de emisión de Balmer para el átomo de Hidrógeno (Gelvez & Siauchó, 2014) los gases sometidos a una descarga eléctrica emiten una luz que al ser observada mediante un espectrómetro se encuentra que está compuesta por unas líneas brillantes sobre un fondo oscuro. Esto se conoce como el espectro de emisión del elemento del que está formado el gas, ya que es particular década elemento en cuanto a distribución de las líneas y colores observados. El análisis de estos e spectros se hace utilizando un espectroscopio que es una herramienta que tiene una rejilla en la que la luz se difracta al atravesarla. En el informe antes mencionado se da cuenta de un experimento en el que se estudia el espectro de emisión del Hidrógeno a partir del fenómeno de difracción, por lo que en la práctica se determinaron las distancias de cada línea espectral con respecto al centro y la distancia de la fuente a la rejilla, obteniendo resultados para las longitudes de onda de los máximos encontrados muy cercanas a las que se encuentran en la literatura. Sin embargo, debido a que los errores en las medidas era difíc iles de comprobar en este caso se va utilizar otro método para hacer el estudio de dichos espectros, por ejemplo, el estudio mediante fotografías y análisis computarizados de máximos de intensidad a partir de estas. Lo anterior se basa en calibrar una medición a mártir de un espectro base, que en este caso es el Hidrógeno (figura 2) para averiguar la longitud de onda tanto de elementos como de moléculas en áreas de la Física como la astronomía (figura 3) (Astropráctica.org, 2005). Este método es el que se presenta en el presente informe. Figura 1. Espectro de Hidrógeno. Tomado de la página web: http://www.monografias.com/trabajos82/modelo-atomico-de-  bohr/mode lo-atomico-de-bo hr2.shtml Se estudia el espectro de emisión en el visible para el hidrógeno utilizando fotog rafías del mismo y con el uso del software Iris. Se determi na una función de calibra ción a partir de la interpolación de lo s datos y se calculan las longitudes de onda emitidas por el helio y el neón usando dicha función y los datos de longitudes que obtienen a partir de las fotos. Finalmente se comparan las ventajas y desventajas del método aquí utilizado, el método fotográfico, con el método utilizado semanas atrás para cumplir un fin similar, el método visual.  

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  • 5/20/2018 Laboratorio Espectrograf a At mica

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    [email protected], [email protected]

    Laboratorio de Fsica Moderna

    EspectrografaCiro Fernando Glvez, 1

    Paula Siaucho Unriza, 21Departamento de Fsica e Ingeniera Mecnica.

    2Departamento de Fsica y Microbiologa

    Universidad de los Andes, Bogot, Colombia

    12-08-2014

    RESUMEN

    1. INTRODUCCIN

    Retomando la introduccin del informe espectro de

    emisin de Balmer para el tomo de Hidrgeno

    (Gelvez & Siauch, 2014) los gases sometidos a una

    descarga elctrica emiten una luz que al ser

    observada mediante un espectrmetro se encuentra

    que est compuesta por unas lneas brillantes sobre

    un fondo oscuro.

    Esto se conoce como el espectro de emisin del

    elemento del que est formado el gas, ya que es

    particular dcada elemento en cuanto a distribucin

    de las lneas y colores observados.

    El anlisis de estos espectros se hace utilizando un

    espectroscopio que es una herramienta que tiene una

    rejilla en la que la luz se difracta al atravesarla. En el

    informe antes mencionado se da cuenta de unexperimento en el que se estudia el espectro de

    emisin del Hidrgeno a partir del fenmeno de

    difraccin, por lo que en la prctica se determinaron

    las distancias de cada lnea espectral con respecto al

    centro y la distancia de la fuente a la rejilla,

    obteniendo resultados para las longitudes de onda de

    los mximos encontrados muy cercanas a las que

    encuentran en la literatura.

    Sin embargo, debido a que los errores en

    medidas era difciles de comprobar en este caso se

    utilizar otro mtodo para hacer el estudio de dich

    espectros, por ejemplo, el estudio media

    fotografas y anlisis computarizados de mximos

    intensidad a partir de estas. Lo anterior se basa

    calibrar una medicin a mrtir de un espectro ba

    que en este caso es el Hidrgeno (figura 2) p

    averiguar la longitud de onda tanto de elemen

    como de molculas en reas de la Fsica como

    astronoma (figura 3) (Astroprctica.org, 2005). E

    mtodo es el que se presenta en el presente inform

    Figura 1. Espectro de Hidrgeno. Tomado de la pgina web

    http://www.monografias.com/trabajos82/modelo-atomico-de

    bohr/modelo-atomico-de-bohr2.shtml

    Se estudia el espectro de emisin en el visible para el hidrgeno utilizando fotografas del mismo y con e

    uso del software Iris. Se determina una funcin de calibracin a partir de la interpolacin de los datos y

    se calculan las longitudes de onda emitidas por el helio y el nen usando dicha funcin y los datos de

    longitudes que obtienen a partir de las fotos. Finalmente se comparan las ventajas y desventajas de

    mtodo aqu utilizado, el mtodo fotogrfico, con el mtodo utilizado semanas atrs para cumplir un fin

    similar, el mtodo visual.

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    Figura 2. Calibracin de distintos elementos y molculas a partir

    del espectro de Hidrgeno. Tomado de la pgina web:http://www.astropractica.org/tem2/ajucrom/lrgb.htm

    2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

    El experimento en general consiste en estudiar los

    espectros de emisin de la Figura 1.

    Figura 3. Montaje experimental.

    Incluyen tubos espectrales, rejilla de difraccin de

    600 lneas, cmara web Logitech modelo C-

    270diferentes gases a partir de las separaciones de

    las lneas. Para esto, se acomod un montaje como el

    mostrado en la Figura 3, en el que se ubic una

    cmara a 1m0,00005m de la lmpara que contena el

    gas hidrgeno.

    Justo delante de la cmara se coloc la una rejilla

    de difraccin de 600 lneas. Ahora, para empezar la

    toma de datos se encendi la lmpara y se tomaron

    fotografas del espectro (modificando las opciones de

    exposicin, contraste y color (se tomaron en blanc

    negro) para obtener el mayor nmero de lne

    Posteriormente, se cambi el tubo con gas

    hidrgeno por uno de helio y luego mercurio, y

    tomaron fotos de sus espectros.

    Despus, se analizaron las imgenes en el progra

    Iris. Para esto, se abri la imagen de hidrgeno con

    programa y se traz un perfil horizontal a travs

    todas las lneas espectrales, incluyendo la imag

    directa. Sobre el perfil se midi en pixeles

    posiciones de las lneas.

    Una vez tengamos todas las posiciones, a ca

    posicin restamos la posicin de la imagen direc

    Esta operacin nos da las distancias medidas

    pixeles. Luego graficamos longitudes de onda (enversus distancias (en x). A continuaci

    interpolamos los puntos mediante una func

    cuadrtica.

    La ecuacin de esta interpolacin es la funcin

    calibracin que podemos asumir vlida para los ot

    espectros, desde que no hayamos cambiado la rej

    ni la configuracin de la cmara. De esta man

    usamos el hidrgeno como espectro de calibraci

    Sobre las imgenes de helio y mercurio medimos

    pixeles) las posiciones las lneas espectrales a pa

    de la imagen directa del tubo. Con la funcin

    calibracin calculamos las longitudes de onda.

    ltimo confrontamos estos resultados con

    longitudes de onda encontrados en la literatur

    evaluamos la precisin del mtodo

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    3. ANLISIS DE RESULTADOS

    A continuacin pondemos observar la imagen de las

    lineas espectrales del hidrgeno:

    En la siguiente tabla se muestran los datos que se

    obtuvieron a partir del anlisis de las imgenes

    obtenidas por la cmara, y por el programa IRIS el

    cual nos arrojaba datos de pixeles vs intensidad:

    HidrogenoRojo azul violeta

    di 207 54 460

    di (cm) 13,96 4,62 38,01

    x(pixeles) 721 514 460

    (nm) 656,3 486,1 410,2

    Como se vio en la introduccin eso sern valores

    muy aproximados a los tericos gracias a que la

    cmara y el programa son muchos ms precisos que

    el ojo humano, las distancias mostradas en la tabla

    son los valores de las distancias de la fuente de

    emisin a cada una de las lneas de emisin que se

    podan observar en la imagen, como las imgenes se

    tomaron en blanco y negro fue necesario consultar

    con la teora cuales eran los colores de cada una de

    las lneas vistas. Seguidamente se observan las

    longitudes de onda obtenidas a partir de estos datos

    y con el uso de las frmulas que se introdujeronanteriormente.

    Primero se realiz este procedimiento para el

    hidrgeno ya que es muy til para posteriormente

    realizar una extrapolacin de datos o un ajuste de

    mnimos cuadrados, para que despus podamos ver,

    a partir de esto se realiz el ajuste, lo que nos arr

    la siguiente grfica:

    De esta forma, se obtiene una ecuacin la cual n

    muestra la grfica, esta funcin ser de muh

    utilidad para los siguientes datos ya que se pude u

    como un ajuste o como una curva de calibracin, e

    ser utilizada para los espectros de Helio y Mercu

    Sin embargo podemos hallar un error de esta func

    o curva de calibracin lo que hacemos es calcupara el Hidrgeno, el valor de la longitud de on

    para cada X encontrado por medio de la funcin

    calibracin, y a este valor restarle el valor nomin

    hallado experimentalmente. Luego, generaremos u

    dispersin para los, en donde se encuentran

    longitudes de onda halladas por la ecuacin co

    variable libre y el error como la variable dependien

    de modo que el clculo del error para cada d

    segn la ecuacin lo encontramos por dicha relac

    lineal.

    Rojo azul viole

    nominal 656,3 486,1 410

    extrapolacin 667,935 495,8184 416,9

    Diferencia 11,635 9,7184 6,71

    y = -0,002x^2 + 3,3313x - 705,54

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    0 200 400 600

    Longituddeonda(nm)

    Distancia (pixeles)

    Ajuste de mnimos cuadrados

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    Por lo que al tabular estos datos, nos arrojara una

    grafica que debe tener una tendencia lineal donde el

    valor de la pendiente debe ser muy cercano a cero:

    Entonces podemos decir que el error para cada

    dato viene dado linealmente segn dicho dato.

    Entonces proseguimos a calcular las longitudes de

    onda para los otros dos gases (Helio y Mercurio), los

    cuales tendran las correcciones respectivas usando el

    error que obtuvimos anteriormente, por ende

    podemos concluir anticipadamente que van a ser

    exactos, veamos los resultados:

    HelioVioleta Azul Verde Rojo

    x(pixeles) 432 501 609 742

    (calib) 360,3336 461,4393 581,4597 665,1566

    MercurioAmarillo Verde Azul

    d 129 570 653

    x(pixeles) 623 1064 1147

    (calib) 593,6019 574,7712 484,2431

    Como se pide en la guia del laboratorio (Fisica,

    2014) tenemos que verificar la exactitud de la camara,

    para poder realizar esto tenemos que mirar que tan

    grandes o mejor dicho que tan anchas son la lineas

    espectrales, y asi verificar la resolucion espectral d

    camara, esta relacion es del tipo:

    Donde es el ancho medido de la banda

    espectro, y la longitud de onda respectiva a e

    banda. De esta forma calculamos la resolucion p

    cada gas sera:

    Calculo de R : HidrogenoRojo Azul Violeta

    d1 55 518 659

    d2 77 540 694

    d 22 22 35

    (calib) 633,2194 633,2194 591,3945

    (calib) 595,27 571,97 481,72

    R 0,94006911 0,90327302 0,81454934

    Calculo de R : HelioVioleta Verde Azul Ro

    d1 52 127 243 36

    d2 74 151 270 37

    d 22 24 27 12

    (calib) 633,2194 626,7408 617,0529 665,8

    (calib) 595,27 571,97 481,72 481,

    R 0,940069 0,91261013 0,78067861 0,723

    Calculo de R : MercurioAmarillo Verde Azul

    d1 48 180 638

    d2 62 188 648

    d 14 8 10

    (calib) 659,2938 679,0176 672,427

    (calib) 595,27 571,97 481,72

    R 0,90289034 0,8423493 0,71639003

    Para cada dato, se encuentran exhibidos

    valores de la posicin en el eje X del inicio (d1) y fi

    (d2) de la lnea espectral vista. Con esto se calcul

    que es bsicamente la longitud de onda que se

    respectiva a una lnea de emisin perfecta en u

    posicin en el eje X del valor de la diferencia entre

    y d2 (d), y luego se llev a cabo el clculo de

    y = 0.0182x - 0.2416

    R = 0.8902

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    0 200 400 600 800

    Diferencia

    -Extrapolacin

    Dispersin del error

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    teniendo tambin en cuenta el valor respectivo.

    Despus de este procedimiento, promediamos los

    valores de R para cada uno de los colores:

    Promedios R

    Violeta 0,87730923

    Azul 0,80011389verde 0,87747971

    Amarillo 0,90289034

    Rojo 0,83176638

    4. CONCLUSIONES

    En primer lugar podemos decir que la resolucin

    de la camara web es buena ya que al ver la tabla

    inmediatamente anterior vemos que los

    promedios de R son cercanos a 1, donde 1 seria laresolucin ideal, sin embargo se podra mejorar

    esta resoluci, utilizando una camara que no sea

    web, ya que estas camaras tienen una resolucion

    de menos de 2 megapixeles, y las camras

    profesionales tienen alrededor de 12.

    Por otra parte concluimos que el laboratorio fue

    bueno, ya que al comparar los valores teoricos de

    las longitudes de onda de las lienas espectrales

    con los experimentales, vemos que estan en el

    rango del visible y que adems de esto se

    encuentran en el rango del color donde estn las

    lineas reales.

    Uno de los principales contribuyentes al error fue

    el montaje experimental ya que al cambiar cada

    vez el bombillo de gas, se ccambia la distancia

    entre la camara y la lampara, por ende esto

    generar otra imagen, que analizar el programa.

    Otra de las cosas que genera error es que el

    programa no es muy bueno midiendo la

    intensidad de luz que llega a la camara y por esto

    se satura muy rpido, por lo que la medicin no

    ser la correcta, sin embargo para este caso no es

    muy necesaria obtener la intensidad mxima,

    como en el laboratorio anterior.

    Una de las formas de mejorar los resultad

    experimentales es como se dijo anteriormente

    usar una camara con mejor resolucin, p

    adems los bombillos utilizados deberan estar

    mejor estado ya que en algunos casos estan m

    descgastados y las lineas espectrales se ven m

    diferentes.

    4.

    REFERENCIAS

    1. Universidad Autnoma De Madrid, Clculo

    errores y presentacin de resulta

    experimentales, 20

    http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/j

    er/docencia/lab_informaticos/2010/errores.

    . [Domingo 10 de agosto del 201

    2.

    Sears Francis W.,Freedman Roger A.,YouHugh,Zemansky Mark W. Fsica Universit

    Volumen 2 (Pearson Educacin, 11 Edici

    2004)

    3. French, A.P. (1971). Vibrations a

    waves. (1st ed., pp. 288-294). T

    Massachusetts Institute of Technology.

    4.

    Astropractica.org (2005). AJUST

    CROMINANCIA en "L-RGB". Tomado el 4septiembre d 2014 de la pgina w

    http://www.astropractica.org/tem2/ajucrom

    gb.htm

    5.

    Fisica, D. d. (2014). Guias de laboratorio de fisic

    Moderna.Bogota, Colombia: Universidad de lo

    Andes.

    6.

    Gelvez, C., & Siaucho, P. (2014). Laboratorio 2

    Espectrografia de Atomos y LED's.Bogota,

    Colombia: Universidad de los Andes.

    http://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_1?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=SEARS%20FRANCIS%20W.http://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_2?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=FREEDMAN%20ROGER%20A.http://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_4?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=ZEMANSKY%20MARK%20W.http://www.astropractica.org/tem2/ajucrom/lrgb.htmhttp://www.astropractica.org/tem2/ajucrom/lrgb.htmhttp://www.astropractica.org/tem2/ajucrom/lrgb.htmhttp://www.astropractica.org/tem2/ajucrom/lrgb.htmhttp://www.astropractica.org/tem2/ajucrom/lrgb.htmhttp://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_4?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=ZEMANSKY%20MARK%20W.http://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_2?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=FREEDMAN%20ROGER%20A.http://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_1?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=SEARS%20FRANCIS%20W.