LQ1: espectròmetre

Objectiu

En aquesta activitat volem conèixer què és l'espectre electromagnètic i com podem veure l'espectre d'emissió de diferents fonts lluminoses i compostos.

Fonaments

Què és la llum? 

La llum és energia electromagnètica. La partícula fonamental que permet el transport d'aquesta energia és el fotó. Tot i transportar-se per mitjà de partícules, l'energia electromagnètica es comporta com una ona. Per tant, a cada magnitud energètica li correspon una freqüència i una longitud d'ona.

Com major energia es transporti, la ona corresponent tindrà major freqüència i menor longitud d'ona.

L'espectre electromagnètic es el conjunt de totes les freqüències i es divideix en bandes, des de la de major freqüència (i energia) com els rajos Gamma fins la de menor freqüència (i energia) com les ones Radio.

La banda corresponent a la llum visible comprèn longituds d'ona de 380 a 780 nm.

Què ens diu l'espectre d'absorció de l'aigua?

L'espectre d'absorció de l'aigua ens indica les freqüències (o longituds d'ona) que absorbeixen les molècules d'aigua. Com s'observa a la figura, dins del rang de longituds d'ona de la llum visible l'aigua gairebé no absorbeix energia. Per tant, tal com experimentem en el nostre dia a dia, l'aigua és transparent a la llum visible.

En canvi, en la zona de la llum Ultravioleta (UV, amb longituds d'ona de 15 a 400 nm) l'aigua és pràcticament opaca. Per tant, l'aigua ens protegeix dels raigs UV.

Què és l'espectroscòpia a la flama?

Al sotmetre una sal (com el nitrat de coure) a una flama, la sal s'evapora i es dissocia. El metall resultant (el coure en l'exemple) absorbeix encara més energia de la flama, resultant en un àtom excitat amb electrons en orbitals més energètics. Al tornar al seu estat fonamental, aquests electrons emeten llum. En el cas dels metalls, aquesta llum cau dins la regió o banda de la llum visible i es pot observar una coloració característica de la flama.

Materials

Per la construcció de l'espectroscopi

1. Caixa de cartró
2. CD
3. Cúter
4. Estisores
5. Cinta adhesiva
6. Cola blanca
7. Grapadora

Per l'espectroscòpia a la flama

1. Reactius (sòlids): nitrat de coure, nitrat de potassi, nitrat de calci
2. Material de laboratori:
1. Sortidor de gas
2. Llumins
3. Aigua destil·lada
4. Fil de nicrom
5. Càpsules de porcellana
6. Vasos de precipitats de 50 ml

Metodologia

Construcció de l'espectroscopi

La construcció de l'espectroscopi es va realitzar seguint les recomanacions de Guillermo Abramson a YouTube.

Espectroscòpia a la flama

Per la realització de l'espectroscòpia a la flama ens vam trobar els reactius preparats al laboratori.

Per cada sal vam procedir de la mateixa manera:

1. Vam comprovar que el fil de nicrom no modifiqués el color de la flama quan el passàvem per ella
2. Amb els guants de nitril, vam mullar un extrem del fil de nicrom en aigua destil·lada i el vam posar en contacte amb la sal. D'aquesta manera la sal s'adheria al fil.
3. Vam fer passar el fil de nicrom amb la sal per la flama per observar el canvi de coloració d'aquesta.

Resultats

Observació dels espectres de diferents fonts lluminoses

Cada grup va poder construir el seu propi espectròmetre! Algunes de les dificultats amb les que ens vam trobar són: (1) el tancament hermètic de l'aparell per tenir una senyal més clara, (2) l'amplada de l'escletxa per on ha d'entrar la llum no sempre és suficientment petita i (3) el CD és molt difícil de tallar sense crear deformacions i imperfeccions que empitjoren la qualitat de l'espectre captat.

Primer vam intentar observar les diferències entre la llum del sol (indirecta) i la llum d'una bombeta incandescent, però va resultar molt difícil. El motiu principal de la dificultat era la quantitat de llum solar indirecta que teníem a l'aula i, per tant, no podíem obtenir imatges netes d'altres fonts lluminoses. 

Finalment, vam anar al laboratori i vam jugar amb la bombeta incandescent i amb els fluorescents. Aquí ja vam començar a detectar algunes diferències. En les imatges, la figura de l'esquerra correspon a la bombeta incandescent, mentre que la de la dreta és l'espectre del fluorescent.

S'observa com l'espectre de la llum incandescent és més continu (com en el cas de la llum solar).

Observació de l'espectroscòpia a la flama

Vam poder observar clarament els diferents colors causats pel canvi energètic dels electrons dels minerals:

• Coure: color verd
• Potassi: color lila
• Calci: color taronja-vermell

Conclusions

Amb aquesta pràctica hem pogut construir un espectròmetre i observar els diferents espectres d'emissió de fonts lluminoses i minerals. Hem estudiat també com és l'espectre d'absorció de l'aigua i hem deduït la seva opacitat en funció de la longitud d'ona.

Finalment, hem pogut relacionar els conceptes teòrics de (1) orbital atòmic, (2) canvi energètic en les translacions dels electrons i (3) espectre electromagnètic entre ells i hem pogut observar com la teoria ens explica els fenomens del nostre dia a dia.

Referències

Per la realització d'aquesta experiència s'ha consultat Google (Wikipedia) i YouTube.