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Mediciones de ptica y Acstica Octubre 2015 Vol. I, No. 2

LA ESPECTROSCOPIA

J.A. Vanegas, D. M. MosqueraUniversidad Nacional de Colombia

Octubre del 2015

Resumen

Los espectros de emisin son caractersticos de cada elemento , esto se pone en evidencia con la

emisin de fotones, cuando los electrones de los tomos pasan de un estado de mayor energa

a otro de menor energa, poseen un nmero especfico de longitudes de onda. somo se dijo

anteriormente estos pueden ser visualidos por un espectometro. en este experiemnto se observa

la emision espectral longitudinal de ciertos elementos encontrando que el espectometro utiliado

tiene un margen de error cercano al 0,41% ademas de hallar la absorcion de un material con la

ley de Wien la que es dependiente de la longitud de onda y de las caracteristicas del material

hallado que para longitudes de onda de 624,44 y710,79 con una absorcion del material del0,334

y 0,224 correspondientemente y que esta depende de mas propiedades del material.

I. INTRODUCCION

En el siglo XVII los trabajos de Newton y Huy-gens sobre la radiacin electromagntica dieron

a conocer el fenmeno de dispersin de la luz,cuando sta atraviesa un medio de densidad

distinta. Se descubri entonces, que las com-ponentes de la luz incidente en un prisma sedesvan con diferente ngulo, de manera que al

salir del medio se pueden identificar cada una de

ellas con un color, dependiendo de su longitudde onda.

Con el desarrollo de la mecnica cuntica sepudo establecer que los tomos, sea cual sea el

elemento, absorben y emiten energa en ciertascantidades discretas y que esa energa est dadaen funcin de la frecuencia y por tanto de la

longitud de onda. El estudio de la interaccinentre la radiacin y la materia como funcin de

la longitud de onda condujo a explorar tcni-

cas tales como la espectroscpica con el fin decaracterizar los elementos qumicos conocidosmediante la obtencin de los llamados espec-

tros de emisin y de absorcin de cada sustancia.

Los espectros de emisin se obtienen a partir

de la radiacin electromagntica emitida por los

tomos o molculas que componen el cuerpo.

Los espectros de absorcin se forman cuandouna radiacin electromagntica compuesta es

absorbida total o parcialmente por el cuerpo,as este ltimo espectro es continuo excepto en

unas franjas de color negro que representan las

radiaciones absorbidas.

De esta manera existen espectrmetros mas es-

tandarizados y con mejor exactitud , que los

que conocemos de difraccin actualmente, porlo que se tienen ahora espectrmetros digitales,capaces de identificar de manera mas precisa

la intensidad emitidas en diferentes longitudes

de onda para cada material, hacindolo estricta-mente diferente de otros compuestos o elementos

de estudio, donde se puede utilizar la ecuacinde Planck sobre la radiacin de cuerpo negro pa-

ra hallar la intensidad en funcin de la longitudde onda con la ecuacin

B(, T) =2hc2

51

e hc

kT 1

dondeh es la constante de Planck, c es la veloci-dad de la luz, y k la constante de Boltzman, de

esta manera se tiene una relacin directa sobrecomo se comporta la luz en ciertas longitudesde onda y a ciertas temperaturas.

una de las observacin sobre los aspecto visi-

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bles de la luz eran sus cambios de intensidad

y como se podra dar razn de estos, lo quese descubre de forma emprica la ley de Beer-

Lambert relacionan las intensidades iniciales y

finales frente a una relacin de absorcin delmaterial obteniendo:

I1I0

= 10l (1)

donde I0 es la intensidad de entrada, I1 es la

intensidad de salida , es el coeficiente de ab-sorcion l es la longitud que recorre la luz en esemedio

II. MONTAGE YPROCEDIMIENTOEXPERIMENTAL

Como el objetivo primordial de este experimentode caracterizar los espectro de emisin de luz

de ciertos materiales, y determinar su compor-tamiento frente a cambios en al intensidad, setienen los siguientes materiales

Espectrmetro compacto CCD y un difu-

sor

Figura 1: Instrumentos experimentales espectrme-

tro y difusor Thorlabs

bombilla de luz incandescente

7 plantillas de opacidad azullser LED rojo

lampara de Sodio

computador con el software SPLICCO para interpretacin de datos proporcionados

por el espectrmetro

Donde en primera parte se procede a conectar

todos los dispositivos y utilizar un cable USBpara conectar al computador y utilizar el softwa-

re SPLICCO, donde de esta manera se coloca el

difusor sobre la entrada de luz del espectrmetroy se tienen ciertos datos, estos son normaliza-do con el tiempo de integracin proporcionada

por el software, lo que nos permite normalizarla funcin obtenida y dar una buena razn del

comportamiento espectral en un rango de unmximo de intensidad cerca del 60% al 70%

para que no halla una saturacin y sea muybien apreciable la grfica de intensidad contra

longitud de onda proporcionada por el software,una vez ya ajustado esto se procede a la tomade datos en el siguiente orden

1. Puntero lser rojo

2. sodio

3. tungsteno y tungsteno para diferentes in-tensidades con plantillas dadas

Para cada uno de estos casos las grficas mos-

tradas por el programa fueron guardadas enformato .CSV que en este caso es un formato

de datos crudo que se tratara para para obtenerlos datos adecuados.

Una vez ya obtenidos se obtiene las grficasmostradas y su anlisis sera debido su afinidadcon respecto a los espectros emitidos mximoscontrastados con los de la teora, luego sern

comprados uno a uno para hallar su relacin dela ley de Beer.

III. RESULTADOS Y ANLISIS

Una ves tomados los datos se tienen:

I. Puntero lser

De los datos obtenidos de SPLICCA se tiene lasiguiente grfica

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exp 0, 75 teo Error %Sodio

620.76 613.51 1.18686.74 683.95 0.40

756.85 756.15 0.09848.78 849.79 0.11

Cuadro 2: Datos de la longitud de onda experi-

mental comparadas con el valor dado

por la teora, para la lneas espectral

encontrada, y el error porcentual entre

ambas para el Tungsteno.

Donde muestra efectivamente que el tungsteno

tienen lineas de emisin y esta es totalmentefuncional a su intensidad, y se da como un buen

margen de error , de esta manera es posibleobtener varias conjeturas como:

III.1. Ajuste de la ley de Planck

Para este caso se mostrara una aproximacin dela ley de Planck donde se utilizo la ley de Wiencomo

max =0,0028976mK

T

pero esta fue basada en la mxima longitud de

onda si obteniendo una temperatura de 3823 K,esta se asimila mucho a la de la radiacin de

cuerpo negro de un objeto de 4000K y tendrala forma de :

Figura 5: Grfica de diferentes curvas de radiacin

de cuerpo negro para diferentes tempera-

turas.

donde se puede observar que realmente si cumple

con la ley de Planck conforme a su mxima inten-sidad de la longitud de onda (max = 757,85nm)

caracterstica que corresponde a un rojo cercano

al infrarrojo.

III.2. Ley de Beer

Para esta formacin se utilizaron los diferentes

plantillas de opacidad, mostrando un cambio sig-

nificativo cada vez que se agregaba una plantilla,debida a la absorcin del material obteniendo lasiguiente grfica

Figura 6: Longitudes de onda contra intensidades

normalizadas para diferente numero de

plantillas.

Donde es posible el ver cambio significativo quesufre la intensidad a medida que se van agregan-

do plantillas , de esta manera, con la ecuacin(1) se procede a observar la relacin I1/I0. esto

puede ser observado en la grfica a continua-cion

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Figura 7: Seleccin de longitudes de onda mxi-

mas afectadas de la relacinI1/I0 para

el estudio del comportamiento de su ab-

sorcin con cada plantilla

donde es posible observar el ruido ocurrente de-

bido a los datos inestables en el rango de los0 a 500 nanmetros, estos son aproximados a

el de una recta, por lo que la regin de inte-rs se centra en las dos mximas longitudes de

onda prominentes debido a que estas son lasque sufren un gran cambio o existe una gran .y utilizando los datos de estas prominencias se

tiene la grfica

Figura 8: Intensidades normalizadas contra nume-

ro de plantillas superpuestas para cada

longitud de onda mxima atenuadas.

que contiene un comportamiento exponencial y

hace referencia a la absorcion del material, por loque se procede a linealizarla obteniendo

Figura 9: linealizacion del comportamiento de ate-

nuacin de las longitudes de onda para

cada numero de plantillas. (Es posible

observarlo mejor en el anexo.)

que da una buena razn del comportamiento

del la absorcin del material, lo que lo hace de-pender de sus caractersticas y de la longitud

de onda especifica , lo que es posible observar amirar la grfica (6)

exp 0, 75 coeficiente 624.44 0.334710.79 0.224

Cuadro 3: Datos obtenidos despus de la linealiza-

cion mostrando los coeficientes de ab-

sorcin correspondientes a cada longi-

tud de onda especifica

con un coeficiente respectivo para cada unade las longitudes de onda correspondiente de laforma igual a:

log(I1/I0) = l

Lo que hace que esta se atenu rpidamente

debido a la relacin de intensidades obtenidasy adems que esta dependa basicamente de la

longitud de onda propia emitida del material, as

como la absorcin selectiva del material.

IV. CONCLUSIONES

1. Es posible observar y caracterizar un ma-terial debido a sus lineas de emisin conun espectrmetro.

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2. El espectrmetro electrnico Thorlabs tie-ne una alta calidad de toma de datos con

un error aproximado y promediado de un

buen margen de error del 0,41% depen-

diendo de la calidad de toma de datos delexperimentador.

3. La aproximacin de un cuerpo negro parala emisin de espectro de luz para ciertos

cuerpos, es una muy buena aproximacin

y comportamiento de la intensidad de estecuerpo.

4. Se puede cuantificar la absorcin de planti-

llas debido a la ley de Beer para longitudescaractersticas de un material, para longi-

tudes de onda de 624,44 y 710,79 con una

absorcin del material del 0,334 y 0,224

correspondientemente y que esta dependede mas propiedades del material.

5. El espectrmetro es el instrumento expe-rimental esencial y ahora actualmente b-sico a la hora de observar las lineas de

emisin de un material. este puede mejo-rar si el camino ptico que recorre la luzhasta el detector.

V. ANEXOS

Figura 10: linealizacion del comportamiento de atenuacin de las longitudes de onda para cada numero deplantillas )

Referencias

[1] HECHT Eugene.ptica. Tercera Edicin. ADDISSON WESLEY. 2000.

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[2] MELISSINOS Adrian, NAPOLITANO Jim. Experiments in Modern Physics. Segunda Edicin.ACADEMIC PRESS. 2003.

[3] FRENCH A.POscilaciones y Ondas. Segunda Edicin. REVERTE. 1974.

[4] Eisberg , R., Resnick, R. , (1985)., Fsica cuntica: atomos, moleculas, solidos, nucleos yparticulas.

[5] ESPECTRO DE EMISION http://en.wikipedia.org/wiki/Emission_spectrum (consulta-da Octubre de 2015)

[6] ESPECTROS DE EMISION http://herramientas.educa.madrid.org/tabla/espectros/espectros6.swf

[7] SELECCION DE DATOShttp://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm

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http://en.wikipedia.org/wiki/Emission_spectrumhttp://herramientas.educa.madrid.org/tabla/espectros/espectros6.swfhttp://herramientas.educa.madrid.org/tabla/espectros/espectros6.swfhttp://www.nist.gov/pml/data/asd.cfmhttp://www.nist.gov/pml/data/asd.cfmhttp://herramientas.educa.madrid.org/tabla/espectros/espectros6.swfhttp://herramientas.educa.madrid.org/tabla/espectros/espectros6.swfhttp://en.wikipedia.org/wiki/Emission_spectrum