UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOFACULTAD DE INGENIERA EN SISTEMAS, ELECTRNICA E INDUSTRIAL PERODO ACADMICO: Octubre/2014 Marzo/2015

FORMATO DE TRABAJO FINAL

I. PORTADAUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOFacultad de Ingeniera en Sistemas, Electrnica e IndustrialProyecto Acadmico de Fin de SemestreTtulo: Analizar la emisin de luz por parte de tomos.Carrera:Ingeniera en Electrnica y Comunicaciones rea Acadmica: ElectrnicaLnea de Investigacin: Fsica-ElectrnicaCiclo Acadmico y Paralelo:Septiembre-Febrero Cuarto AAlumnos participantes:Laica OscarVeloz Guamn Cesar.Yumizaca Cepeda JosMdulo y Docente:Fsica de Semiconductores Ing. Elizabeth Ayala

II. INFORME DEL PROYECTOAnalizar la emisin de luz por parte de tomos.

1.1 ObjetivosMediante el desarrollo de este proyecto se pretenden lograr los siguientes objetivos

Comprobar el comportamiento de las lneas espectrales de algunas lmparas mediante una rejilla de difraccin de luz. Comprender como actan los electrones ante ligeros estmulos de luz Analizar la emisin de luz por parte de los tomos. Conocer las longitudes de onda y emisiones trmicas que generan las lmparas convencionales que se ocupan en nuestros hogares

1.2 Resumen

Lo que se pretende mediante el siguiente experimento, es estudiar una parte de la mecnica cuntica en concreto de la luz que emiten las bombillas de nuestros hogares, como tambin su radiacin trmica que se caracteriza por la combinacin de colores y que es representado mediante un espectro de emisin. Para el experimento se usara un mtodo denominado rejilla de difraccin, que se basa en detectar las lneas discretas que se ven en las lmparas que representan los distintos saltos de electrones; Se puede predecir por tanto que un tomo que emita radiacin por medio de electrones excitadosslo podr hacerlo a unas determinadas longitudes de onda muy precisas. De hecho, estas longitudes se pueden visualizar como distintos colores en el espectro visible en forma de rayas y caracterizan a cada elemento qumico ya que dependen de la configuracin de sus electrones

1.3 Palabras clave: Difraccin, luz, longitud de onda, hiptesis.

1.4 Introduccin

La mecnica cuntica nos habla de un mundo misterioso y complejo, tal mundo guarda una gran relacin con nuestro diario vivir, que los cientficos siguen tratando de descifrar, el estudio se centra en el tomo que como ya sabemos est constituido de protones, neutrones y electrones como ya tenemos una imagen del tomo lo suficientemente verdica para el experimento que nos proponemos hacer, que no es otro que analizar la emisin de luz por parte de tomos en concreto las bombillas de una casa.Pero primero debemos distinguir los dos tipos diferentes de bombillas, las antiguas y las clsicas que tienen un hilo incandescente, dicho hilo es el encargado de calentarse hasta llegar a una temperatura que nuestra bombilla empezara a brillar, este efecto es conocido como radiacintrmica y se caracteriza por una combinacin de colores que ser el punto de estudio en el siguiente experimento, es importante recalcar que un objeto que emite repentenicamente de la temperatura no del material ni de la manera que se ha calentado, este efecto tambin es conocido como un espectro de emisin.

1.5 Materiales y Metodologa

Marco Terico

ESTRUCTURA DEL TOMOEl tomo est formado por un ncleo, que contiene neutrones y protones, el que a su vez est rodeado por electrones. La carga elctrica de un tomo es nula.Nmero atmico es el nmero de electrones o protones de un tomo. Masa atmica (peso atmico) M, es la masa de una cantidad de tomos igual al nmero de Avogadro, NA=6.023 x 1023 mol-1 ( el cual es el nmero de atmos o molculas en un mol o molcula gramo).un electrn es en realidad un ente difuso, extremadamente pequeo pero queno est en ningn sitio concretosino en una zona del espacio determinada siguiendo lo que llamamosprincipios de incertidunbre que nos dicen donde esms o menos probableencontrar al electrn.Por ejemplo, en un tomo de Helio, sus dos electrones orbitarn normalmente siguiendo idnticas distribuciones de probabilidad esfricas, siendo ms probable encontrarlos cerca del ncleo que lejos:

Fig: tomo de Helio

Luz: frecuencia, cuantos y efecto fotoelctrico.Naturaleza ondulatoria de la luz.- la luz es una radiacin electromagntica, es decir una onda de campo elctricos y magnticos, se caracteriza, como onda , por su frecuencia (v), que se define como el numero de ciclo por unidad de tiempo y que cuya unidad es el hertz o hercio (Hz), la longitud de onda () es la distancia de una luz determina su color, aunque solo es visile una parte del espectro electromagntico.La luz como un haz de partculas,- en 1900, Max Plank estudia la radiacin emitida por un cuerpo negro y observa que es como si esta fuera emitida en porciones , donde h es la constante de Plank ( 6.63 10-34J.s). En 1906, Einsten estudia el efecto fotoelecctrico y para explicarlo, propone que la luz puede ser considerada como un haz de partculas o como una onda, con la relacion de entre la energa cinetica de cada particula y la frecuencia de la onda. Una particula de luz recibe el nombre de Foton y la energa es un cuanto de energa.Fig: Radiaciontermica

Rejilla de difraccin Si se aumenta el nmero de ranuras en un experimento de interferencia (manteniendo constante la separacin entre ranuras adyacentes), se obtienen patrones de interferencia donde los mximos ocupan las mismas posiciones que con dos ranuras, pero son progresivamente ms angostos. Por ser estos mximos tan angostos, se puede medir con una precisin muy grande su posicin angular y, por lo tanto, su longitud de onda. Como veremos, este efecto tiene muchas aplicaciones relevantes. Una serie de ranuras paralelas en gran nmero, todas del mismo ancho a y separadas por distancias iguales d entre sus centros, recibe el nombre de rejilla de difraccinIntensidad en el patrn de una sola ranuraDe acuerdo con el principio de Huygens, cada elemento de rea de la abertura de la ranura puede considerarse una fuente de ondas secundarias. En particular, imaginemos que dividimos la ranura en varias tiras angostas de igual anchura, paralelas a los bordes largos y perpendiculares a la pgina. El centro C de este arco se obtiene construyendo perpendiculares a A y B. Con base en la relacin entre longitud de arco, radio y ngulo, el radio del arco es E0>b; la amplitud EP del campo elctrico resultante en P es igual a la cuerda AB, que es 2(E0>b) sen (b>2). (Advierta que b debe estar en radianes!) Tenemos entonces que (amplitud en la difraccin de una sola ranura)

a) Intensidad contra ngulo en difraccin de una sola ranura. Los valores de m indican la intensidad mnima . La mayora de la potencia de las ondas va hacia el pico de intensidad central (entre la intensidad mnima m=1 y m=-1). Fig: Intencidad de propagacin de onda

b) b) Estas ondas de agua pasan por una pequea abertura y se comportan exactamente como ondas luminosas en difraccin de una sola ranura. Slo las ondas difractadas dentro de la cresta de intensidad central son visibles; las ondas a mayores ngulos son demasiado tenues para verse.

Fig: ondas que atraviesan la ranura

En el caso de las ondas luminosas, la longitud de onda suele ser mucho menor que el ancho de ranura a, y los valores de son tan pequeos que la aproximacin es muy aceptable. Con esta aproximacin, la posicin 1 del primer mnimo al lado del mximo central.

1= /a

Esto caracteriza la anchura (extensin angular) del mximo central, y vemos que es inversamente proporcional al ancho de ranura a. Cuando la aproximacin de ngulos pequeos es vlida, el mximo central es exactamente dos veces ms ancho que cada mximo lateral. Cuando a es del orden de un centmetro o ms, 1 es tan pequeo que podemos considerar que prcticamente toda la luz est concentrada en el foco geom- trico. Pero cuando a es menor que , el mximo central abarca 180 y no se observa el patrn de franjas.

fig: El patrn de difraccin de una sola ranura depende de la razn del ancho de la ranura a con la longitud de onda l.

Las lmparas de tipofluorescentes(tubos o las ms pequeas y modernasCFL). Todas estas lmparas funcionan por el mismo principio: se hace pasar una corriente de electrones libres desde un extremo del tubo al otro, y estos electrones en su camino chocancontra tomos del vapor de mercurioque las rellena:

Fig: estructura de una lmpara fluorecenteEn cada uno de estos choques ocurre algo muy interesante: el electrn libre que vena a toda velocidadpierde la energa cintica(su velocidad) y se la transfiere a uno de los 80 electrones que hay en cada tomo de mercurio. Segn las reglas de la mecnica cuntica, un electrn solo puede aceptar ciertas cantidades (cuantos) de energa, que coinciden precisamente con los escalones que tiene queescalarhacia niveles de orbitales ms altos.Se dice entonces que el electrn estexcitado, y realmente no aguanta mucho tiempo en ese estado hasta quevuelve a caer a su hueco natural.Como la energa ni se crea ni se destruye, la energa que le sobra al caer la emite en forma de un fotn, un paquetito de luz,cuya longitud de onda o color depende exclusivamente del tamao del escaln en la cada.La siguiente figura te ayudar a entender todo esto para el ejemplo sencillo de un tomo de hidrgeno con un slo electrn:

fig: Emisin del hidrgenoSe puede predecir por tanto que un tomo que emita radiacin por medio de electrones excitadosslo podr hacerlo a unas determinadas longitudes de onda muy precisas(obviando elefecto Zeemany otros detalles). De hecho, estas longitudes se pueden visualizar como distintos colores en el espectro visible en forma de rayas y caracterizan a cada elemento qumico ya que dependen de la configuracin de sus electrones. La siguiente foto es el espectro emitido por un gas de hidrgeno al hacerle pasar una descarga elctrica, y se ven claramente las lneas correspondientes a los saltos 5->2, 4->2 y 3->2 (repasa el dibujo de arriba):

fig: Emisin experimental de hidrgeno excitadoVolviendo a nuestro caso de la lmpara fluorescente, el vapor de mercurio realmente emite principalmente en dos lneas espectrales (60% a 253.7nm y 10-20% en 185nm) que caen en elultravioleta, y por lo tantoson invisiblesa nuestros ojos. Por eso el interior de dichas lmparas va recubierto de sustancias qumicas especialmente pensadas para absorber dicha radiacin, que sus electronessalten varios niveles de golpe, y luego caigan poco a poco, emitiendo paquetes de radiacin de menor energa (y por tanto, mayor longitud de onda) en cada saltito. Este fenmeno se llamafluorescenciayes la razn del nombre de dichas lmparas.Dependiendo del fabricante de la lmpara fluorescente y del material de recubrimiento, el nmero de saltos ser mayor o menor y estarn en distintas longitudes de onda, aunque para la mayora de modelos econmicos tienen prcticamente el mismo espectro de emisin:

Fig:Distintos tipos de bombillas y sus espectrosLas lneas discretas que se ven en las tres lmparas fluorescentes centrales representan los distintos saltos de electrones de los que hemos hablado arriba.1.6 Resultados y DiscusinRejilla de difraccin

El experimento se realiz con una ranura en la que atraviesa un rayo de luz propagado en forma de onda, que llega asta un fragmento de CD(unidad lectora) que contienen una serie de surcos de 500nm de ancho permitindonos poder observar Los fosos microscpicos en la superficie de este disco compacto que actan como una rejilla de difraccin y dividen la luz blanca en los colores que la componen adems ser capaces de ver dicho espectropara detectar las lneas espectrales de las lmparas del hogar. En un laboratorio profesional se usara unared de difraccin, bsicamente una superficie fina con un patrn regular de agujeros microscpicos:

Fig: Principio de funcionamiento de una rejilla de difraccinLa distancia entre agujeros debe ser del orden de magnitud de la longitud de onda de la luz que se quiere analizar y lo que se consigue es separar la luz en sus distintos colores de una forma mucho ms eficiente a como lo hara un prisma. Para detectar la separacin habr que mirar el patrn desde un ngulo que coincida con los puntos sealados como m=1 en el dibujo.Como es raro que alguien tenga un patrn de difraccin de laboratorio en su casa, vamos a usar algo mucho ms artesanal: un CD. Incluso un CD-R (de los grabados en casa) vale, ya que aunque est vaco vienen con una serie de surcos de ~500nm de ancho ya pregrabados:

Fig: Superficie de un CD-R virgen, donde se aprecian los microsurcosAl no seragujerossinosurcosla difraccin no ser perfecta sino que depender del ngulo con el que se mire.Lo primero que hay que hacer es quitarle la cubierta que lleve pegada en uno de sus lados.Esto debe hacerse con un cutter ycon mucho cuidado para no rayarlo. Recomiendo cortar un trozo sin preocuparse y a partir de ah ir levantndolo muy lentamente introduciendo el cutter por debajo:

Tras separar la cubierta de un trozo, procedemos a cortarlo con unas tijeras:

Y a continuacin buscamos una caja de cartn y haremos una pequea ranura en uno de los extremos, y colocaremos el trozo de CD sin cobertura de forma que haga un cierto ngulo con un rayo de luz que entre en la caja, tal que as:

El ltimo paso recomendable es cerrar la caja con su tapa y abrir una pequea ventana por la que poder ver el trozo de CD desde arriba. Debers probar para averiguar el ngulo de refraccin correcto. Tambinhay otras posibles configuraciones (con el CD paralelo a la abertura y el visor en la otra punta, etc.

Tras todo esto, ya podemos iluminar la caja a travs de la ranura con el tipo de luz a analizar y podremos ver su espectro a travs de la ventana. Primero os muestro lo que se ve con una lmpara incandescente

Como era de esperar, se ve unespectro continuo, lo que corresponde al tipo de emisin trmico.Pero si ahora enfocamos unalmpara fluorescentehacia nuestro rudimentario analizador, veremos esta preciosa imagen:

Cada una de esas lneas representalos saltos discretos de los electronesde la cubierta del tubo fluorescente.

1.7 Conclusiones

Fue posible observar el espectro continuo, lo que corresponde al tipo de emisin trmico.Tambin fue notable observar los saltos discretos de los electrones de la cubierta del tubo fluorescente.

1.8 Referencias bibliogrficas

Barceinas Snchez y A. Jurez Hernndez. CAPITULO 2: ESTRUCTURA ATMICA J.D.O. Raymond Chang, Qumica General, 7ma Edicin, Mxico, Thomson, 2005. http://www.ciencia-explicada.com/2011/06/experimento-casero-verifica-la-teoria.html. CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES. http://www2.uah.es/edejesus/resumenes/EQEM/tema_193.pdf, la estructura atmica de los atomos, Universidad de Alcala.

2.10. Fotografas y grficos