Espectrómetro: Instruções de operação
Complemento da experiência Dispersão e poder resolvente dum prisma
Introdução
Um espectrómetro é um aparelho científico muito simples que emprega uma rede de difracção ou um prisma para dispersar um feixe luminoso. Se o feixe é composto por mais dum comprimento de onda, forma-se um espectro luminoso porque as diferentes cores são refractadas ou difractadas em ângulos diferentes. O aparelho permite depois fazer uma medição cuidada dos ângulos nos quais se dá a refracção ou difracção para cada cor, resultado este que é uma assinatura da substância que é atravessada.
Na maioria dos casos é necessário aquecer uma substância para esta emitir radiação, mas um espectrómetro também permite investigar substâncias frias. Passando luz branca, que contém todos os comprimentos de onda da banda visível, através dum gás frio, obtem-se um espectro de absorção, ou seja, todas as cores são visíveis excepto as que foram absorvidas pelo gás.
A importância dum espectrómetro na banda visível como aparelho científico baseia-se num facto simples mas crucial: quando um electrão muda duma órbita para outra dentro dum átomo dá-se a emissão de radiação, algumas vezes na banda visível. Por causa disto, um espectrómetro é um instrumento potente na investigação da estrutura dos átomos. É também uma ferramenta poderosa para determinar que átomos estão presentes numa substância. Os químicos usam-no para determinar quais são os constituintes duma molécula e os astrónomos utilizam-no para determinar os elementos constituintes de estrelas que estão a milhões de anos luz de distância.
Figura 1 – Diagrama dum espectrómetro.
Na sua forma mais simples, um espectrómetro não é mais que um prisma e um transferidor. No entanto, como existe a necessidade duma detecção muito sensível e
Como se mostra na figura 1, um espectrómetro consiste em três elementos básicos: um colimador, uma rede de difracção e um telescópio.
A luz que se pretende analisar entra pelo colimador através duma pequena fenda colocada no ponto focal da lente do colimador. Do colimador sai um feixe estreito de luz paralela, com a forma da fenda, de modo a atingir o elemento difractor ou refractor com o mesmo ângulo de incidência, essencial para a formação duma imagem nítida.
O elemento difractor ou refractor deflecte o feixe e, se este tiver diversas cores, cada cor é dispersa segundo um ângulo diferente.
O telescópio pode ser rodado para colectar a luz difractada ou refractada segundo ângulos que são medidos de forma muito precisa. Com o telescópio focado no infinito e posicionado segundo um ângulo que permite colectar a luz duma cor particular, vê-se uma imagem nítida da fenda do colimador. Por exemplo, quando o telescópio está num determinado ângulo de rotação vê-se uma imagem vermelha da fenda, noutro ângulo vê-se uma imagem verde, e assim sucessivamente. Ao rodar o telescópio, as imagens da fenda correspondentes a cada cor podem ser vistas e os ângulos de difracção podem pois ser medidos. Se as características do elemento difractor forem conhecidas, estes ângulos podem ser usados para determinar os comprimentos de onda que estão presentes na luz.
Montagem experimental
Nivelar o espectrómetro
Para se obterem resultados precisos o elemento difractor tem de estar convenientemente alinhado com os eixos ópticos do telescópio e do colimador. Isto requer que tanto o espectrómetro como a mesa do espectrómetro estejam nivelados. 1. Coloca-se o espectrómetro numa mesa horizontal. Se não estiver, podem
colocar-se alguns pedaços de papel ou cunhas finas por baixo da bacolocar-se fixa de madeira do espectrómetro de forma que esta fique nivelada.
2. Nivelar a mesa do espectrómetro com a ajuda dos três parafusos micrométricos que estão por baixo dela.
Focar o espectrómetro
1. Quando olhar través do telescópio, deslocar a objectiva para dentro e para fora até obter uma imagem nítida da cruz da mira. Desaperta-se o anel de travagem da mira e roda-se esta até que um segmentos da mira fique vertical. Reaperta-se o anel de travagem. E novamente tenta-se obter uma imagem nítida da mira com a objectiva.
2. Focar o telescópio no infinito. Isto é conseguido de forma aproximada quando se foca um objecto distante, fora da janela, por exemplo.
3. Verificar que a fenda do colimador está parcialmente aberta (a fenda tem um parafuso de ajuste para este fim).
4. Alinhar o telescópio directamente em oposição ao colimador, como se vê na figura 2.
5. Olhar através do telescópio, ajustar o foco do colimador e, se necessário, a rotação do telescópio, até obter uma imagem nítida da fenda (não mudar o foco do telescópio durante este processo).
6. Apertar o parafuso-travão de rotação do telescópio e usar o parafuso de ajuste fino para alinhar a linha vertical do centro da mira com uma aresta da imagem da fenda. Se a fenda não estiver vertical, desapertar o anel de travagem, realinhar a fenda e reapertar o anel de travagem. Ajustar a largura da fenda até obter uma imagem clara e brilhante. As medições dos ângulos de difracção são feitas sempre com a linha da mira alinhada escolhendo uma aresta da fenda, de ora em diante designada por aresta fixa, de forma que uma fenda muito estreita é claramente vantajosa.
Figura 2 – Alinhar o telescópio directamente em oposição ao colimador.
Nota: Quando o telescópio e o colimador estão convenientemente alinhados e focados, a fenda deve
estar focada com nitidez no centro do campo de visão do telescópio e um dos segmentos da mira deve estar perpendicular e alinhado com a aresta fixa. Se não se conseguir alinhar o espectrómetro como se indicou acima, significa que o espectrómetro tem de ser realinhado com maior profundidade, procedimento delicado que deve ser realizado pelo responsável da aula
Alinhar uma rede de difracção
Para calcular com precisão os comprimentos de onda baseados nos ângulos de difracção, a rede tem de estar perpendicular ao feixe de luz do colimador.
1. Alinhar e focar o espectrómetro como se indicou anteriormente. O telescópio tem de estar directamente oposto ao colimador com a fenda num foco nítido e alinhado com o segmento vertical da mira. Os passos 2. – 5. referem-se à figura 3 e os restantes à figura 4.
2. Desapertar o parafuso-travão da mesa do espectrómetro. Alinhar a linha gravada da mesa do espectrómetro de forma que esta fique tanto quanto possível colinear com os eixos ópticos do telescópio e do colimador. Apertar o parafuso-travão. 3. Aparafusar o suporte da rede de difracção de forma que este fique perpendicular
às linhas gravadas.
4. Prender a rede de difracção nos grampos do suporte. Para verificar a orientação da rede, olhar através dela para uma fonte luminosa e reparar como a rede dispersa a luz nas suas várias cores. Quando colocada no suporte, a rede deve espalhar horizontalmente as cores da luz incidente, de forma que a rotação do telescópio permite ver diferentes imagens coloridas da fenda.
5. Colocar uma fonte luminosa (de preferência uma que tenha um espectro discreto, como sejam as lâmpadas de sódio ou de mercúrio) a uma distância de
aproximadamente 1 centímetro da fenda. Ajustar a largura da fenda de forma que a imagem fique nítida e brilhante. Se necessário, ajustar a altura da mesa do espectrómetro de forma que a imagem da fenda fique centrada com o campo de visão de telescópio.
Nota: a luz ambiente pode obscurecer as imagens. Use o espectrómetro num ambiente de
semi-obscuridade ou coloque um material opaco (de pano, por exemplo) em cima do espectrómetro.
Figura 3 – Elementos envolvidos nos passos 2. a 5. do procedimento para
alinhar uma rede de difracção.
Figura 4 – Elementos envolvidos nos passos 6. a 9. do procedimento para alinhar
6. Rodar o telescópio até encontrar uma imagem brilhante da fenda. Alinhar o segmento vertical da mira com a aresta fixa da imagem e cuidadosamente medir o ângulo de difracção.
7. A rede de difracção difracta a luz incidente em espectros idênticos em cada lado da parte do feixe que não foi difractado. Rodar o telescópio para trás, até ao ângulo zero de difracção, até encontrar a imagem da fenda. Medir o ângulo de difracção para esta imagem.
8. Se a rede estiver perfeitamente alinhada, os ângulos de difracção para cada uma das imagens correspondentes da fenda serão idênticos. Se não, deve-se usar o parafuso de ajuste fino de rotação da mesa para compensar a diferença (isto é, alinhar a rede de forma que esta fique perpendicular ao feixe do colimador e os dois ângulos fiquem iguais).
9. Repetir os passos 6. – 8. até que os ângulos para as imagens correspondentes da fenda sejam os mesmos com uma precisão dum arco de 1 minuto.
Como se determinam comprimentos de onda empregando uma rede de difracção
Logo que a rede esteja alinhada, não rodar outra vez a base de madeira ou a mesa rotativa. Medir os ângulos de difracção.
Como as escalas dos nónios foram deslocadas quando a mesa do espectrómetro foi ajustada, o ponto zero de difracção tem de ser registado novamente.
Os comprimentos de onda são determinados de acordo com:
n a θ
λ = sin
onde λ é o comprimento de onda, a é a distância entre as linhas da rede de difracção (a=3.3×10−3m para uma rede de difracção de 300 linhas/mm;
m 10 66 . 1 × −3 =
a para uma rede de difracção de 600 linhas/mm), θ é o ângulo de difracção e n é a ordem do espectro de difracção que está a ser observado.
Manutenção
Periodicamente limpar a abertura do telescópio, a abertura do colimador e os prismas com papel especial para limpar lentes (vende-se em lojas de artigos fotográficos).
Tratar o espectrómetro e os seus acessórios com cuidado de forma a evitarem-se desalinhamentos e riscos nas superfícies ópticas.
Guardá-lo na sua caixa de madeira quando não estiver em uso. Não há qualquer outro tipo de manutenção.
Nota:Apesar destas instruções serem dedicadas a um dos dois espectrómetros disponíveis, salvo
pequenos detalhes podem ser empregues no outro, visto terem princípios de funcionamento análogos.
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Adaptado do manual de emprego dum espectrómetro usado numa experiência da componente laboratorial da cadeira de Óptica e Acústica, 3ºano do curso de Física e Química da Universidade do Algarve.
