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ESPECTRO DE EMISIN DE GASESUniversidad de San Carlos, Facultad de Ingeniera

Departamento de FsicaLaboratorio de Fsica IV

200715097, Henry Ajquejay

ResumenEl espectro de emisin de gases es el resultadovisible del espectro de luz que emite un gas luego de haberleprovisto de energa ya sea en forma de calor o al haberle sometidoa una diferencia de potencial. Cuando un fotn choca contra unelectrn este primero le provee de energa capaz de mover alelectrn de posicin, la posicin resulta en un nivel superior, aeste proceso se le llama espectro de absorcin (en este espectro nose le provee energa al gas es decir el gas esta en un estado fro),luego de que el foton desaparece convirtindose este ultimo juntocon el electrn en un fotoelectrn, estando el fotoelectrn en elnivel superior este se mueve a un nivel inferior es aqu en dondese presenta el fenmeno del espectro de emisin en este caso degas, ya que un cambio de nivel resulta en un cambio de energa,es la energa la que se hace visible al ojo humano en un rango queva desde mas o menos 400nm hasta los 700nm aproximadamente.El ltimo fenmeno dicho, es decir el de emisin es el que acontinuacin se intentar discutir y llegar a una conclusin atravs de la observacin y comparacin.

I. OBJETIVOS

I-A. GENERALES

Determinar a partir de la simple observacin y compara-cin a que gas corresponde un espectro de emisin vistode dos gases diferentes disponibles en el laboratorio.

I-B. ESPECFICOS

Diferenciar entre espectro de emisin y espectro deabsorcion.Aprender a deducir con la ayuda de un espectrometroy el patrn propio de los gases que gas puede haber enalgn ambiente o que elemento cualquiera pudiera existirluego de haberle sometido energa.Comprender que un haz electromagntico formulado apartir de las ecuaciones de Maxwell en la mecnicaclsica se refiere a un foton hablando relativisticamenteen el marco de la mecnica moderna.

II. MARCO TERICO

II-A. ESPECTRO DE EMISIN

El espectro de emisin atmica de un elemento es un con-junto de frecuencias de las ondas electromagnticas emitidaspor tomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se lecomunica energa, por ejemplo al calentarlo o al ser sometidoa una diferencia de potencial, contrario a la luz que se emitecuando el gas se enfra, el cual se le llama espectro deabsorcion. El espectro de emisin de cada elemento es nico

y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte deun compuesto desconocido.

Figura 1. Espectro de emisin de algunos gases despus de haberles aplicadoenerga. La figura muestra en escala de 100nm los colores patrones dispuestosen el espectro de luz visible que va desde los 400nm hasta los 700nm ma omenos.

Figura 2. Se llama espectro visible a la regin del espectro electromagnticoque el ojo humano es capaz de percibir. A la radiacin electromagntica eneste rango de longitudes de onda se le llama luz visible o simplemente luz. Nohay lmites exactos en el espectro visible: un tpico ojo humano respondera longitudes de onda de 400 a 700 nm, aunque algunas personas pueden sercapaces de percibir longitudes de onda desde 380 hasta 780 nm.

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Las caractersticas del espectro de emisin de algunos ele-mentos son claramente visibles a ojo descubierto cuando estoselementos son calentados. Por ejemplo, cuando un alambre deplatino es baado en una solucin de nitrato de estroncio ydespus es introducido en una llama, los tomos de estroncioemiten color rojo. De manera similar, cuando el Cobre esintroducido en una llama, sta se convierte en luz verde.Estas caracterizaciones determinadas permiten identificar loselementos mediante su espectro de emisin atmica.

El hecho de que slo algunos colores aparezcan en lasemisiones atmicas de los elementos significa que slo de-terminadas frecuencias de luz son emitidas. Cada una de estasfrecuencias estn relacionadas con la energa de la frmula:

Efoton = hf [J ] (1)

donde E es la energa medida en J(Joules), h es laconstante de Planck (h 6,63 1034 Js) y f es lafrecuencia. La frecuencia f es igual a:

f =c

[1

so Hz

](2)

donde c es la velocidad de la luz (c 3,00 108m/s) enel vaco y es la longitud de onda en m.

Con esto se concluye que slo algunos fotones con ciertasenergas son emitidos por el tomo. El principio del espectrode emisin atmica explica la variedad de colores en signosde nen, as como los resultados de las pruebas de las llamasqumicas mencionadas anteriormente.

Las frecuencias de luz que un tomo puede emitir dependede los estados en que los electrones pueden estar. Cuandose le suministra energa a un tomo de gas este se excita, yel electrn se mueve hacia una capa de energa superior. Ycuando cae hacia su capa normal emiten la luz.

Figura 3. Proceso de absorcion y emisin de energa de un electrn enun tomo del modelo planetario. Se observa como un foton incide sobre unelectrn al chocar contra este se convierte en un fotoelectron cedindole aeste ltimo energa que es capaz de moverse a un nivel superior debido ala energa cinetica que lleva debido al choque, al cabo de perder su energacinetica este se mueve, del nivel actual al original, la energa entonces seconvierte en luz visible, a este ulitmo proceso se le llama emisin.

La formula que relaciona entre la absorcion y emisin fuedescrita por fsico Johannes Rydeberg, el cual se le llamaformula de Rydeberg como sigue:

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vac= RH(

1

n21 n22) (3)

Donde,vac: es la longitud de onda de la luz emitida en el vaco,

RH : es la constante de Rydberg (RH R 1,10 107m1) para el hidrgeno,n1 y n2: son enteros tal que n1 < n2.La frmula de arriba puede ser extendida para el uso con

cualquier elemento qumico similar al hidrgeno.

II-B. ESPECTROS DE EMISIN DE GASES DISPONIBLESEN EL LABORATORIO DE FSICA USAC

Figura 4. Espectro de emisin del Argn.

II-B1. ARGN:

Figura 5. Espectro de emisin del Nen.

II-B2. NEN:II-B3. VAPOR DE AGUA: Imagen no disponible, debido

a que el agua no es un elemento sino un compuesto igual aH2O entre el hidrgeno y el oxigeno, se deja a imaginacindel lector su espectro de emisin.

Figura 6. Espectro de emisin del Mercurio.

II-B4. MERCURIO:

Figura 7. Espectro de emisin del Criptn.

II-B5. CRIPTN:

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Figura 8. Espectro de emisin del Xenn.

II-B6. XENN:

III. DISEO EXPERIMENTAL

Se observo el espectro de luz emitida (espectro de emisin)de un tubo lleno de gas mediante un espectrometro y se dedujoa travs de la simple observacin y comparacin a cual de estalista de gases disponible en el laboratorio corresponde,

ArgnNenVapor de aguaMercurioCriptnXenn

III-A. MATERIALES

1 tubo de vidrio transparente y sellado en los extremosal cual suministrarle en su interior cualquier gas.1 fuente de aproximadamente 2000V.1 espectrometro.

III-B. MAGNITUDES FSICAS A MEDIR

Ninguna.

III-C. PROCEDIMIENTO

III-C1. VALIDO PARA LOS 3 MTODOS:1. Armar el equipo como el de la figura 9.2. Observar mediante el espectrometro el espectro de luz

visible.3. Comparar y deducir a que gas corresponde (ver listado

de gases disponible en el apartado de diseo experimen-tal).

Figura 9. Montaje del equipo.

IV. RESULTADOS

IV-A. ETIQUETA AZUL

Figura 10. Espectro de emisin observado de la etiqueta AZUL.

IV-B. ETIQUETA VERDE

Figura 11. Espectro de emisin observado de la etiqueta VERDE.

V. DISCUSIN DE RESULTADOS

La deduccin de la eleccin del gas fue conseguido a partirde la simple observacin y comparacin; en el caso de la eti-queta AZUL que se dedujo corresponde al gas NEN se puedeobservar como la mayora de tramas encajan casi que con elpatrn de abajo (ver figura 10) pero no perfectamente, debidoa que no hay ninguna franja violeta al inicio y el(los) coloresazul(es) comienzan en franjas discontinuas poco despus delos 400nm, excepto despus de este ultimo no hay color algunoobservado y eso esta claramente dibujado en lo que se vio, sinembargo se puede observar que no coinciden el verde y luegoel naranja en las longitudes de ondas correspondientes segnel patrn.

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Por otro lado el gas XENN el cual es la etiqueta VERDEse puede observar como la mayor parte de los bloques decolores estn dispuestos casi que continuamente, esto muestraun hecho real en lo que se vio (ver figura 11) excepto porquepoco despus de los 400nm no hay ningn color segn elpatrn y las longitudes de onda en las que estn dispuestas nocazan del todo bien segn el patrn.

Debido a que la mayora de estos gases y el resto de gasesresponden a una gran cantidad de colores en su espectro fuemuy difcil haber captado todas las franjas de colores debido ala emisin de tomos de estos gases por lo que los resultadospueden no concordar con el gas real, tambin se debe saberque hubo a disposicin dos espectrometros uno de los cualesse observaba mas claramente que el otro; en una, las franjaseran mas continuas que discontinuas, as que los resultadosarriba mencionados pueden tampoco coincidir debido a quese observaron desde dos instrumentos distintos. Otras de lasposibilidades de haber cometido un error y no haber llegado ala respuesta correcta fue el error humano, los colores continuosy discontinuos que pasan muy rpido de tono de un color alotro, por ejemplo del verde al naranja, se pierden en la mentehumana, respondiendo a otros colores, quiz haber tomadofotografas instantneas hubiera sido la solucin del problemapero no se consigui perfectamente as que se decidi llevarloal papel y lpiz.

VI. CONCLUSIONES

1. Las etiquetas AZUL y VERDE corresponden a los gasesNEN y XENN respectivamente.

2. Si no fuere el caso en que las conclusiones arribamencionadas fuesen las correctas, los posibles erroresfueron debido al humano, al instrumental o bien no habertomado fotografa alguna que plasme perfectamente elinstante de la observacin, como bien fue discutido enel apartado de discusin de resultados.

3. El espectro de emisin resulta de que el fotoelectron semueva del nivel superior a donde fue lanzado luego delchoque con un foton a su nivel original, esto es cambiode nivel de energa.

4. El espectro de absorcion resulta de que el fotoelectronse mueva de su nivel original a un nivel superior luegode que un foton halla chocado contra un electrn, estoes cambio de nivel de energa.

5. Un electrn se convierte en un fotoelectron luego dehaber chocado contra un foton; el foton muere o des-aparece y este ultimo mas el electrn forman lo que sellama un fotoelectron.

VII. FUENTES DE CONSULTA

REFERENCIAS

[1] Fuentes varioshttp://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_de_emisi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementoshttp://herramientas.educa.madrid.org/tabla/espectros/espectros6.swfhttp://impresiones-miguel.blogspot.com/2011_03_01_archive.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Rydberghttp://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula_de_Rydberg

VIII. ANEXOS

No hay objeto alguno.