Espectroscopia de Gases: Análise Espectral de Lâmpadas, Exercícios de Física

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” (Câmpus de Rio Claro) Instituto de Geociências e Ciências Exatas Curso de Física Disciplina de Laboratório de Estrutura da Matéria I Espectroscopia de Gases Grupo 5 - Experimento 4 (Turma A) Paulo Henrique Hilário Ricardo de Melo Vinícius Simão Professor: Fábio Simões Rio Claro - SP 2024 2 SUMÁRIO Introdução………………………………………………………………………3 Fundo Teórico…………………………………………………………………..4 Materiais e Metodologia………………………………………………………..6 Resultados e Discussão…………………………………………………………8 Conclusão…………………………….......……………….……………......…16 Referências Bibliográficas…………………………………….......…………..17 5 para a energia potencial 𝑉: 𝑉 = 𝑚𝑍2𝑒4 4𝜋2𝜀0 2𝑛2ℏ2 (7) e para a energia total 𝐸: 𝐸 = 𝑇 + 𝑉 (8) Para o átomo de hidrogênio (𝑍 = 1), definimos: 𝑎0 = 4𝜋𝜀0ℏ 2 𝑚𝑒2 (9) e a equação (4) torna-se: 𝑟 = 𝑛2𝑎0 (10) onde 𝑎0 = 0,527Å que é chamado de primeiro raio de Bohr. Por similaridade, temos: 𝐸 = ℎ𝑐𝑅∞ 1 𝑛2 (11) onde ℎ𝑐𝑅∞ = 13,605𝑒𝑉 e 𝑅∞ = 1,0974 × 105𝑐𝑚−1 denominada constante de Rydberg. Como os níveis de energia diferem apenas pelo fator 1/𝑛2, a diferença de energia entre os níveis do átomo de hidrogênio é dada por: Δ𝐸𝑖𝑓 = ℎ𝑐𝑅∞ ( 1 𝑛𝑖 2− 1 𝑛𝑓 𝑖 ) (12) onde os subscritos 𝑖 e 𝑓 representam os estados inicial e final, respectivamente. Como a frequência da radiação está relacionada com a energia por 𝐸 = ℎ𝑣, temos que: 𝐸 = ℎ𝑣 = ℎ𝑐 𝜆 (13) Portanto: 6 1 𝜆 = 𝑅∞ ( 1 𝑛𝑖 2 − 1 𝑛𝑓 𝑖 ) (14) Essa expressão simples é verificada experimentalmente com alto grau de precisão. 3. MATERIAIS E METODOLOGIA 3.1 Materiais - 1 Espectroscópio de prisma combinado e calibrado. - 1 Espectroscópio de prisma simples não calibrado. - 1 conjunto de Lâmpadas espectrais com suas respectivas fontes de alimentação. - 1 Lâmpada de filamento com fonte de alimentação. 3.2 Metodologia Para medir o espectro das lâmpadas de Mercúrio, Sódio e Hidrogênio, comece escolhendo uma das lâmpadas, instalando-a na fonte de alimentação correspondente e ajustando sua posição para iluminar a fenda do espectroscópio de prisma combinado. Caso necessário, peça auxílio ao professor ou técnico para garantir o correto posicionamento e conexão da lâmpada. Em seguida, abra a fenda do espectroscópio ao máximo e alinhe o sistema de modo a obter nitidamente o espectro do elemento em estudo. Não se esqueça de iluminar a ocular adequadamente. Gire o tambor micrométrico do espectroscópio e observe o deslocamento das linhas espectrais em relação às linhas de referência 'X' gravadas na ocular. Depois, ajuste a linha de referência 'X' para coincidir com a linha espectral em estudo. Feche a fenda gradualmente e faça novos ajustes utilizando o tambor micrométrico. Tome cuidado com erros de paralaxe e folgas mecânicas, pois esses fatores podem afetar a precisão da medida. O comprimento de onda da linha sintonizada pode ser lido na escala calibrada do tambor micrométrico. Ao observar a linha medida, faça-o com o máximo de cuidado e mantenha a fenda o mais fechada possível. Verifique se você vê apenas uma linha ou se há dúvida quanto a possíveis linhas muito próximas. Repita esse procedimento para todas as linhas observadas, bem como para as outras lâmpadas. Para os elementos Sódio e Mercúrio, apresente seus resultados em uma tabela. Esta tabela deve conter o elemento investigado, o comprimento de onda de cada linha observada, o comprimento de onda aceito na literatura, a cor da linha observada e sua intensidade em escala 7 forte, média ou fraca. Indique também se a linha é um singleto, dubleto ou tripleto. Para obter a intensidade da linha, padronize a abertura da fenda, mantendo-a fechada ao máximo. No caso da lâmpada de hidrogênio, utilize a teoria de Bohr para obter a série de Balmer e comparar com os resultados observados. Identifique as três séries não observadas na experiência e explique o porquê. Indique quais seriam as modificações necessárias para que todas as séries fossem observadas. Por fim, observe o espectro de uma lâmpada de filamento sujeita à tensão normal de funcionamento. Reduza a tensão da lâmpada, observe as mudanças no espectro e conclua. Discuta suas observações e explique os fenômenos observados com base nos princípios físicos envolvidos. Para investigar a lâmpada desconhecida, mantenha o alinhamento e o prisma do espectroscópio sem alterações e substitua a lâmpada por uma fonte de luz cuja identidade não seja conhecida. Repita os procedimentos de posicionamento da lâmpada, abertura da fenda do espectroscópio e ajuste fino usando o tambor micrométrico para todas as linhas espectrais visíveis. É essencial seguir cada passo meticulosamente para garantir a precisão das medições. Em seguida, utilize a equação 19, utilizando as constantes previamente determinadas, para realizar o processo inverso e associar cada distância 𝑑𝑖 medida com seu respectivo comprimento de onda. Esse passo é crucial para determinar os comprimentos de onda exatos das linhas espectrais observadas na lâmpada desconhecida. Após completar as medições e os cálculos necessários, apresente os resultados obtidos de forma organizada e clara. Isso inclui os comprimentos de onda determinados para cada linha observada, juntamente com quaisquer outras características relevantes, como a intensidade das linhas e possíveis multipletos. Em seguida, meça os comprimentos de onda da lâmpada desconhecida utilizando o espectroscópio calibrado, garantindo que todas as medidas sejam realizadas sob condições controladas e precisas. Finalmente, tente identificar a lâmpada desconhecida com base nos comprimentos de onda obtidos e, se necessário, consulte o professor para validar os resultados e identificar possíveis fontes de erro durante o experimento. Este processo de análise sistemática é fundamental para compreender e identificar corretamente a fonte de luz desconhecida. 10 Verde 3000 553 553,372 2s22p4(1D)3p 2D° 5/2 →→ 2s22p4(3P)3d 2F 7/2 Tabela 2: Lâmpada de Na Figura 3: Intensidade da raia espectral pelo comprimento de onda da lâmpada de Na Figura 4: Raio espectral da lâmpada de Na 11 Lâmpada de Hélio (He) Cor Intensidade (U.A) Comprimento (nm) Literatura (nm) Transição Vermelho 30 703 706,517 1s2p 1P° 1 →→ 1s3d 3D 2 Vermelho 2 100 667 667,815 1s2p 1P° 1 →→ 1s3d 1D 2 Amarelo 500 586 587,561 1s2p 3P° 1 →→ 1s3d 3D 1 Verde 100 502 501,567 1s2s 1S 0 →→ 1s3p 1P° 1 Azul claro 20 492 492,193 1s2p 1P° 1 →→ 1s4d 1D 2 Azul 30 471 471,313 1s2p 3P° 2 →→ 1s4s 3S 1 Roxo 1 200 447 447,148 1s2p 3 P° 2 →→ 1s4d 3D 1 Roxo 2 10 438 438,79 1s 2p1 1 →→ 1s5d 1D 2 Tabela 3: Lâmpada de He 12 Figura 5: Intensidade da raia espectral pelo comprimento de onda da lâmpada de He Figura 6: Raio espectral da lâmpada de He Lâmpada de Hidrogênio (H) Cor Intensidade (U.A) Comprimento (nm) Literatura (nm) Transição Vermelho 500000 657 656,277 2s 2S 1/2 →→ 3p 2P° 1/2 Azul claro 180000 486 486,127 2p 2P 1/2 →→ 4d 2 D 3/2 Roxo 90000 434 434,047 2p 2P° 3/2 →→ 5d 2 D 5/2 Tabela 4: Lâmpada de H 15 Figura 10: Raio espectral da lâmpada desconhecida Após algumas análises feitas, foi possível concluir que a lâmpada desconhecida era de cádmio. A segunda parte do experimento não foi realizada pois houveram erros na medida, fazendo com que fosse impossível determinar as constantes A, B e C. 5. CONCLUSÃO O experimento de espectroscopia de gases permitiu a análise detalhada das características espectrais de diferentes gases, demonstrando a importância da espectroscopia na identificação de elementos e compostos. Através das observações das linhas espectrais específicas para cada gás, foi possível confirmar a presença de elementos distintos e comparar os resultados obtidos com os valores teóricos. Este estudo reforça a utilidade da espectroscopia em diversas áreas da ciência, como a química e a astrofísica, ao possibilitar a identificação precisa de substâncias e o estudo de suas propriedades. Além disso, o experimento evidenciou a importância de procedimentos rigorosos e controle de variáveis para a obtenção de resultados confiáveis e reproduzíveis. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Fábio Simões de Vicente, Dario Antonio Donatti, Laboratório de Estrutura da Matéria I - Roteiros de Experimentos e Teoria, Departamento de Física, IGCE, Unesp, Campus de Rio claro 2021. [2] A. C. Melissinos - Experiments in Modern Physics. [3] G. Bruhat – Optique. [4] M. Alonso & E. Finn - Fundamental University Physics. 16 [5] A. Beiser - Conceitos de Física Moderna. [6] Atomic Spectra Database. https://physics.nist.gov/cgi-bin/ASD/lines_pt.pl