Experimento Espectroscopia Óptica

Universidade de São Paulo

02 de julho de 2021

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Laboratório de Física Aplicada para Químicos - Valmor Roberto Mastelaro

Relatório: Prática 6

Espectroscopia óptica.

1.Introdução.

        A espectroscopia óptica é um método comum para analisar a composição da luz de fontes desconhecidas. O conhecimento teórico sobre o espectro da luz emitida por alguns gases nos dá a possibilidade de identificar a fonte de luz específica. Essa análise é baseada nas diferenças de difração da luz quando esta passa por uma rede de difração.

        A luz passando por uma rede de difração gera máximos de várias ordens, sendo um máximo central de ordem zero. A lei simples que relaciona o ângulo de difração e o comprimento de onda da luz é . sendo  o inverso do número de linhas por mm da fenda.[pic 1][pic 2]

        O padrão esperado no anteparo é ilustrado na figura a seguir.

[pic 3]

Uma lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão é um tipo de lâmpada de descarga, na qual a luz é produzida pela passagem de uma corrente elétrica através do vapor de mercúrio.Inicialmente, uma tensão é aplicada entre o eletrodo auxiliar e o eletrodo principal adjacente, produzindo um arco elétrico entre os dois e causando o aquecimento dos óxidos que passam a emitir elétrons e consequentemente ionizam o argônio, formando agora um arco entre os eletrodos principais. Depois que o meio interno torna-se ionizado, a impedância entre os eletrodos principais torna-se bastante reduzida, e como a do circuito de partida é elevada (devido à presença do resistor), este torna-se praticamente inativo, sendo que toda a descarga elétrica ocorre entre os eletrodos principais. O período de ignição dura alguns segundos. O arco principal geral calor que gradualmente vaporiza o mercúrio. Durante este processo, o arco vai mudando de um brilho difuso azulado, característico do argônio, para um intenso azul-esverdeado característico do mercúrio. Lentamente, com o aquecimento do meio interno, a pressão do vapor de mercúrio vai aumentando, com consequente aumento do fluxo luminoso, e só após alguns minutos a lâmpada se estabiliza na sua condição normal de operação. A quantidade de mercúrio na lâmpada essencialmente determina a pressão final de operação, que é usualmente de 2 a 4 atm na maioria das lâmpadas. Porém há lâmpadas que operam em pressões maiores, da ordem de 10 atm.Se a lâmpada é apagada, o mercúrio não pode ser reionizado até que a temperatura baixe o suficiente para que a pressão do vapor também baixe até um ponto onde o arco pode ser novamente criado reiniciando o ciclo de aquecimento. Isso leva de 3 a 10 minutos dependendo das condições externas e da potência da lâmpada.

Lâmpada de vapor de sódio é a designação dada a um tipo de lâmpada de descarga em meio gasoso que utiliza um plasma de vapor de sódio para produzir luz. Existem duas variantes deste tipo de lâmpadas: de baixa pressão (em geral designadas LPS) e de alta pressão (HPS). Como as lâmpadas de vapor de sódio causam menos poluição luminosa que outras tecnologias utilizadas para iluminação pública, cidades próximas de observatórios astronômicos e localidades onde se pretende manter a visibilidade do céu noturno usam esse tipo de lâmpada.

        

2.Objetivos.

        O primeiro e segundo experimento tem como objetivo a determinação dos comprimentos de onda emitidos por lâmpadas de vapor de mercúrio e sódio utilizando o padrão de difração da radiação ao passar por redes de difração diferentes.

        Para o terceiro experimento, busca-se visualizar e entender o funcionamento de uma lâmpada de vapor de sódio. Também, por meio de uma fenda e um anteparo, busca-se calcular, com os valores obtidos, o comprimento de onda da lâmpada usada.

        No terceiro experimento pretende-se observar o padrão de difração de uma lâmpada incandescente de tungstênio ,e utilizando esse espectro como referência, determinar qualitativamente duas soluções que foram colocadas no caminho da luz utilizando os comprimentos de onda específicos que foram absorvidos por estas soluções.

 3.Materiais e métodos.

        O aparato utilizado consiste em um suporte para lâmpada com uma fenda variável acoplada, uma lente de distância focal de aproximadamente 10 cm, um suporte para rede de difração, e uma anteparo de projeção a aproximadamente 57 cm da fenda. No anteparo, foi acoplada uma régua e papel comum

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        3.1 Espectro de uma lâmpada de vapor de mercúrio.

        Com o cabo do suporte para lâmpada desligado da tomada, foi inserido uma lâmpada de vapor de mercúrio. A lâmpada de mercúrio foi ligada e esperou-se até que sua luminosidade máxima fosse atingida.

        O sistema foi alinhado de modo que a luz proveniente da fenda passe pelo centro da lente e seja projetada no centro do anteparo.

        Uma rede de difração de 600 linhas por mm foi inserida. Com o padrão de difração projetado no anteparo, marcou-se as posições das linhas com uma caneta. Em seguida, mediu-se as distâncias do centro de difração as linhas observadas.

        3.2 Espectro de uma lâmpada de vapor de sódio.

        Primeiramente, retire a lâmpada de vapor de mercúrio do aparelho e aguarde até que esfrie. Substitua a rede de 300 linhas/mm por outra com 600 linhas/mm. Remove-se a lâmpada de vapor de mercúrio e substitua pela de sódio.

        Ligue a lâmpada em 220 V (ambas as chaves para cima), Aguarde aproximadamente 30 segundos e move-se a chave superior para baixo. Aguarde até que a lâmpada atinja o máximo de luminosidade. Verifique o alinhamento do sistema. Ajuste novamente a posição da lente até que uma imagem nítida da fenda seja formada no centro do anteparo. Observe e descreva o padrão espectral de primeira ordem formado e, se necessário, ajuste novamente a posição da lente para que essas linhas apareçam nítidas. Ajuste também a abertura da fenda de modo a minimizar a largura das linhas.