UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL PERÍODO ACADÉMICO: SEPTIEMBRE/2013 – FEBRERO/2014 FORMATO DE TRABAJO FINAL I. PORTADA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial “Proyecto Académico de Fin de Semestre” Título: Analizar la emisión de luz por parte de átomos. Carrera: Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones Área Académica: Nombre del Área Académica Línea de Investigación: Línea de la Carrera Ciclo Académico y Paralelo: Septiembre-Febrero Cuarto “A” Alumnos participantes: Apellidos y nombres (orden alfabético) Apellidos y nombres (orden alfabético) Veloz Guamán Cesar. Módulo y Docente: Física de Semiconductores Ing. II. INFORME DEL PROYECTO 1. PP 2. YY 2.1 Título Analizar la emisión de luz por parte de átomos. 2.2 Objetivos Mediante el desarrollo de este proyecto se pretenden lograr los siguientes objetivos Comprobar el comportamiento de las líneas espectrales de algunas lámparas mediante una rejilla de difracción de luz. Comprender como actúan los electrones ante ligeros estímulos de luz Analizar la emisión de luz por parte de los átomos. Conocer las longitudes de onda y emisiones térmicas que generan las lámparas convencionales que se ocupan en nuestros hogares 2.3 Resumen Lo que se pretende mediante el siguiente experimento, es estudiar una parte de la mecánica cuántica en concreto de la
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PERÍODO ACADÉMICO: SEPTIEMBRE/2013 – FEBRERO/2014
FORMATO DE TRABAJO FINAL
I. PORTADAUNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial“Proyecto Académico de Fin de Semestre”
Título: Analizar la emisión de luz por parte de átomos.Carrera: Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones Área Académica: Nombre del Área AcadémicaLínea de Investigación: Línea de la CarreraCiclo Académico y Paralelo: Septiembre-Febrero Cuarto “A”Alumnos participantes: Apellidos y nombres (orden alfabético)
Apellidos y nombres (orden alfabético)Veloz Guamán Cesar.
Módulo y Docente: Física de Semiconductores Ing.
II. INFORME DEL PROYECTO1. PP2. YY2.1 Título
Analizar la emisión de luz por parte de átomos.
2.2 ObjetivosMediante el desarrollo de este proyecto se pretenden lograr los siguientes objetivos
Comprobar el comportamiento de las líneas espectrales de algunas lámparas mediante una rejilla de difracción de luz. Comprender como actúan los electrones ante ligeros estímulos de luz Analizar la emisión de luz por parte de los átomos. Conocer las longitudes de onda y emisiones térmicas que generan las lámparas convencionales que se ocupan en nuestros hogares
2.3 ResumenLo que se pretende mediante el siguiente experimento, es estudiar una parte de la mecánica cuántica en concreto de la luz que emiten las bombillas de nuestros hogares, como también su radiación térmica que se caracteriza por la combinación de colores y que es representado mediante un espectro de emisión. Para el experimento se usara un método denominado rejilla de difracción, que se basa en detectar las líneas discretas que se ven en las lámparas que representan los distintos saltos de electrones; Se puede predecir por tanto que un átomo que emita radiación por medio de electrones excitados sólo podrá 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 químico ya que dependen de la configuración de sus electrones
La mecánica cuántica nos habla de un mundo misterioso y complejo, tal mundo guarda una gran relación con nuestro diario vivir, que los científicos siguen tratando de descifrar, el estudio se centra en el átomo que como ya sabemos está constituido de protones, neutrones y electrones
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como ya tenemos una imagen del átomo lo suficientemente verídica para el experimento que nos proponemos hacer, que no es otro que analizar la emisión de luz por parte de átomos en concreto las bombillas de una casa.Pero primero debemos distinguir los dos tipos diferentes de bombillas, las antiguas y las clásicas 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 radiación térmica y se caracteriza por una combinación de colores que será el punto de estudio en el siguiente experimento, es importante recalcar que un objeto que emite repente únicamente de la temperatura no del material ni de la manera que se ha calentado, este efecto también es conocido como un espectro de emisión.
2.6 Materiales y MetodologíaActividades llevadas a cabo durante la investigación: marco teórico, recolección y elaboración de los datos, materiales y métodos utilizados (procedimiento)
Marco teoricoESTRUCTURA DEL ÁTOMO El átomo está formado por un núcleo, que contiene neutrones y protones, el que a su vez esta rodeado por electrones. La carga eléctrica de un átomo es nula.Número atómico es el número de electrones o protones de un átomo. Masa atómica (peso atómico) M, es la masa de una cantidad de átomos igual al número de Avogadro, NA=6.023 x 1023 mol-1 ( el cual es el número de atómos o moléculas en un mol o molécula gramo).
un electrón es en realidad un ente difuso, extremadamente pequeño pero que no está en nin-
gún sitio concreto sino en una zona del espacio determinada siguiendo lo que llamamos “prin-
cipios de incertidunbre” que nos dicen donde es más o menos probable encontrar al elec-
trón. Por ejemplo, en un átomo de Helio, sus dos electrones orbitarán normalmente siguiendo
idénticas distribuciones de probabilidad esféricas, siendo más probable encontrarlos cerca del
núcleo que lejos:
Fig: Átomo de Helio
Luz: frecuencia, cuantos y efecto fotoeléctrico.Naturaleza ondulatoria de la luz.- la luz es una radiación electromagnética, es decir una onda de campo eléctricos y magnéticos, 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 (λ) es la distancia de una luz determina su color, aunque solo es visile una parte del espectro electromagnético.La luz como un haz de partículas,- en 1900, Max Plank estudia la radiación emitida por un cuerpo negro y observa que es como si esta fuera emitida en porciones E=hv, 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 partículas o como una
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onda, con la relacion de E=hventre la energía cinetica de cada particula y la frecuencia de la onda. Una particula de luz recibe el nombre de “Foton” y la energía es un “cuanto” de energía
.Fig: Radiacion termica
Rejilla de difracción Si se aumenta el número de ranuras en un experimento de interferencia (manteniendo constante la separación entre ranuras adyacentes), se obtienen patrones de interferencia donde los máximos ocupan las mismas posiciones que con dos ranuras, pero son progresivamente más angostos. Por ser estos máximos tan angostos, se puede medir con una precisión muy grande su posición angular y, por lo tanto, su longitud de onda. Como veremos, este efecto tiene muchas aplicaciones relevantes. Una serie de ranuras paralelas en gran número, todas del mismo ancho a y separadas por distancias iguales d entre sus centros, recibe el nombre de rejilla de difracciónIntensidad en el patrón de una sola ranuraDe acuerdo con el principio de Huygens, cada elemento de área 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 página. El centro C de este arco se obtiene construyendo perpendiculares a A y B. Con base en la relación entre longitud de arco, radio y ángulo, el radio del arco es E0>b; la amplitud EP del campo eléctrico 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 difracción de una sola ranura)
a) Intensidad contra ángulo en difracción de una sola ranura. Los valores de m indican la intensidad mínima . La mayoría de la potencia de las ondas va hacia el pico de intensidad central (entre la intensidad mínima m=1 y m=-1)
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. Fig: Intencidad de propagación de onda
b) b) Estas ondas de agua pasan por una pequeña abertura y se comportan exactamente como ondas luminosas en difracción de una sola ranura. Sólo las ondas difractadas dentro de la cresta de intensidad central son visibles; las ondas a mayores ángulos son demasiado tenues para verse.
Fig: ondas que atraviesan la ranura
En el caso de las ondas luminosas, la longitud de onda λ suele ser mucho menor que el ancho de ranura a, y los valores de Ө son tan pequeños que la aproximación senӨ=Ө es muy aceptable. Con esta aproximación, la posición Ө1 del primer mínimo al lado del máximo central.
Ө1= λ/aEsto caracteriza la anchura (extensión angular) del máximo central, y vemos que es inversamente proporcional al ancho de ranura a. Cuando la aproximación de ángulos pequeños es válida, el máximo central es exactamente dos veces más ancho que cada máximo lateral. Cuando a es del orden de un centímetro o más, Ө1 es tan pequeño que podemos considerar que prácticamente toda la luz está concentrada en el foco geomé- trico. Pero cuando a es menor que λ, el máximo central abarca 180° y no se observa el patrón de franjas.
fig: El patrón de difracción de una sola ranura depende de la razón del ancho de la ranura a con la longitud de onda l.
las lámparas de tipo fluorescentes (tubos o las más pequeñas y modernas CFL).
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Todas estas lámparas 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 cho-
can contra átomos del vapor de mercurio que las rellena:
Fig: estructura de una lámpara fluorecente
En cada uno de estos choques ocurre algo muy interesante: el electrón libre que venía a
toda velocidad pierde la energía cinética (su “velocidad”) y se la transfiere a uno de los
80 electrones que hay en cada átomo de mercurio. Según las reglas de la mecánica cuán-
tica, un electrón solo puede aceptar ciertas cantidades (cuantos) de energía, que coinciden
precisamente con los “escalones” que tiene que escalar hacia niveles de orbitales más al-
tos.
Se dice entonces que el electrón está “excitado”, y realmente no aguanta mucho tiempo en ese
estado hasta que vuelve a caer a su hueco natural. Como la energía ni se crea ni se destruye, la
energía que le sobra al caer la emite en forma de un fotón, un “paquetito de luz”, cuya longitud
de onda o color depende exclusivamente del tamaño del escalón en la caída.
La siguiente figura te ayudará a entender todo esto para el ejemplo sencillo de un átomo de hi -
drógeno con un sólo electrón:
fig: Emisión del hidrógeno
Se puede predecir por tanto que un átomo que emita radiación por medio de electrones excita-
dos sólo podrá hacerlo a unas determinadas longitudes de onda muy precisas (obviando el efec-
to Zeeman y otros detalles). De hecho, estas longitudes se pueden visualizar como distintos co-
lores en el espectro visible en forma de “rayas” y caracterizan a cada elemento químico ya que
dependen de la configuración de sus electrones. La siguiente foto es el espectro emitido por un
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2.7 Resultados y DiscusiónRejilla de difracción El experimento se realizo 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 permitiéndonos poder observar Los fosos microscópicos en la superficie de este disco compacto que actúan como una rejilla de difracción y dividen la luz blanca en los colores que la componen además ser capaces de ver dicho espectro para detectar las líneas espectrales de las lámparas del hogar. En un laboratorio profesional se usaría una red de difracción, básicamente una superficie fina con un patrón regular de agujeros microscópicos:
Fig: Principio de funcionamiento de una rejilla de difracción
La 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 más eficiente a como lo haría un prisma. Para detectar la separación habrá que mirar el
patrón desde un ángulo que coincida con los puntos señalados como “m=1″ en el dibujo.
Como es raro que alguien tenga un patrón de difracción de laboratorio en su casa, vamos a usar
algo mucho más artesanal: un CD. Incluso un CD-R (de los grabados en casa) vale, ya que aun-
que esté vacío vienen con una serie de surcos de ~500nm de ancho ya pregrabados:
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Fig: Superficie de un CD-R virgen, donde se aprecian los microsurcos
Al no ser agujeros sino surcos la difracción no será perfecta sino que dependerá del ángulo 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 y con mucho cuidado para no rayarlo. Recomiendo cortar un trozo
sin preocuparse y a partir de ahí ir levantándolo muy lentamente introduciendo el cutter por de-
bajo:
Tras separar la cubierta de un trozo, procedemos a cortarlo con unas tijeras:
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Como era de esperar, se ve un espectro continuo, lo que corresponde al tipo de emisión térmico.
Pero si ahora enfocamos una lámpara fluorescente hacia nuestro rudimentario analizador, vere-
mos esta preciosa imagen:
Cada una de esas líneas representa los saltos discretos de los electrones de la cubierta del tubo
fluorescente.
2.8 Conclusiones
Fue posible observar el espectro continuo, lo que corresponde al tipo de emisión térmico.También fue notable observar los saltos discretos de los electrones de la cubierta del tubo fluorescente.
2.9 Referencias bibliográficas
Barceinas Sánchez y A. Juárez Hernández. CAPITULO 2: ESTRUCTURA ATÓMICA J.D.O.
Raymond Chang, Química General, 7ma Edición, México, Thomson, 2005. http://www.ciencia-explicada.com/2011/06/experimento-casero-verifica-la-teoria.html .
CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES. http://www2.uah.es/edejesus/resumenes/EQEM/tema_193.pdf, la estructura atómica de
