Uma nova visão da luz:
construa o seu próprio
espectrómetro
Traduzido por Paulo Santos Ramos
Arranje um CD e uma caixa de cereais, e o que obtém? Com uma
pequena ajuda de Mark Tiele Westra, o seu próprio espectrómetro!
È tempo de explorar as maravilhas da cor, escondidas no mais
prosaico dos objectos.
A luz branca não é realmente branca consiste em várias cores
diferentes. A composição da cor o seu espectro – pode ser estudado
por um dsipositivo chamado espectrómetro. Neste artigo,
descrevemos como pode construir um espectrómetro completamente
funcional com pouco mais que uma caixa de cereais e um disco
compacto. Vamos usar este instrumento caseiro para entrar no
maravilhoso mundo das cores escondidas atrás dos objectos do dia-adia, como lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes,
monitores de computador e a luz de velas. Vamos explorar!
Como separar a luz
Existem várias maneiras de separar a luz nas suas diferentes cores.
Uma forma é usar um prisma, tal como Newton fez. Devido ás
variações no índice de refracção, as diferentes cores seguem
diferentes caminhos através do prisma, levando á separação das
cores.
Outra forma é usar uma rede de difracção, que consiste num numero
elevado de pequenos sulcos, colocados paralelamente uns aos outros
numa superficíe, tal como se mostra a seguir.
A interacção destes pequenos sulcos com as ondas de luz conduzem
a que as diferentes cores sejam reflectidas em diferentes direcções.
Um prisma separa a luz branca nas suas cores
Uma ampliação de 6250X
constituintes
da supeficie de um disco
compacto
Imagem cedida por Mark Tiele Westra
Imagem cedida por Mark
Tiele Westra
IÉ uma sorte que toda a gente tenha uma rede de difracção de alta
qualidade em casa: os discos compactos (compact disc CD). As
bonitas cores que podem ser vistas quando a luz reflecte na
superfície de um CD, são uma clara indicação de que este funciona
como uma rede difractora. Mas porquê? A ilustração em cima mostra
o aspecto que uma grande ampliação da superfície dum CD deverá
apresentar.
Construindo um espectrografo
Pode-se aproveitar estas redes de difracção
caseiras para construir o nosso próprio
espectrómetro. Este é constituído por dois
elementos importantes: um CD, o qual
separa a luz nas suas diferentes cores, e
uma pequena fenda no lado oposto da
caixa, a qual produz um feixe estrito de luz.
A fenda é feita num dos lados da caixa
usando papel grosso e fita adesiva. Um
Construção de um
modelo mais básico pode ser feito usando
espectrómetro numa caixa as duas lâminas de uma máquina de
barbear descartável, que são colocadas
de cereais. O CD é
viradas com as faces afiadas viradas uma
colocado num ângulo de
para a outra, como se mostra na figura. Se
60ºem relação ao fundo
a fenda for demasiado larga, o espectro
será difuso, e se for demasiado estreita, o
da caixa
espectro será demasiado ténue. Uma
Imagem cedida por Mark
abertura de 0.2 mm deverá funcionar bem,
mas o melhor é experimentar. A qualidade
Tiele Westra
do espectro obtido é dependente da
qualidade da fenda, mas o melhor portanto
esta deverá ser feita com cuidado.
No lado oposto da caixa, é montado um CD
(o autor usou um CD-RW vazio) a um
ângulo de 60º com o fundo da caixa. No
cimo, é aberto um orifício, através do qual
se observa o CD. A luz de fundo é removida
da caixa, tapando todos os pequenos
orifícios á volta do CD, bem como os lados
do CD, com fita preta.
Para observar um espectro, a fenda é
dirigida para uma fonte de luz (quanto mais
próxima melhor), e o investigador observa
através do orifício no topo da caixa. Mova a
caixa um pouco para procurar o melhor
ponto de observação. Fotografias do
espectro observado podem ser obtidas com
uma câmara digital, com funcionalidade
“macro” para focagem de proximidade,
acoplada à caixa com fita adesiva. A
câmera deve ter preferencialmente
focagem manual, uma vez que pode ser
difícil obter espectros bem definidos com a
focagem automática.
O espectrómetro
construído pelo autor. A
imagem inferior direita
mostra a fenda feita com
lâminas de barbear
Imagem cedida por Mark
Tiele Westra
Medições
È hora de experimentar! A nossa primeira
tentativa é observar o espectro duma
lâmpada incandescente comum. O
resultado é mostrado em baixo.
Espectro duma lâmpada
inandescente
Imagem cedida por Mark
Tiele Westra
Podemos observar, todas as cores do arcoíris. Numa lâmpada incandescente, a luz é
produzida por um filamento muito quente
de metal.
Em seguida, observámos duas lâmpadas
fluorescentes diferentes, ambas emitindo
luz branca.
A primeira, que é uma lâmpada
fluorescente corrente, mostra um nº de
linhas finas contra um espectro de fundo
contínuo. Estas linhas de emissão (ver
texto em baixo) são produzidas por vapor
de mercúrio de baixa densidade num tubo.
O mercúrio também produz luz ultravioleta,
a qual é transformada num espectro
Espectro duma lâmpada
contínuo de luz visível por uma fina camada fluorescente comum
de fósforo no interior do tubo.
Imagem cedida por Mark
Tiele Westra
A segunda lâmpada fluorescente (ver em baixo) mostra um espectro
diferente. A razão é que os fabricantes podem variar a cor da luz
usando diferentes combinações de fósforo. A lâmpada ilustrada usa
um tipo de fósforo que emite um espectro contínuo, mas este tipo
usa um chamado fósforo de três cores: isto é uma combinação de
três tipos de fósforo, cada qual tem o seu próprio leque de linhas de
emissão. O que observamos é o resultado desta mistura como a cor
branca.
Espectro de uma lâmpda fluorescente que usa
fósfor de três cores. Devido á sobre exposição
da câmara, algumas das linhas parecem ter
uma cor diferente daquela que realmente
apresentam. A linha amarelo brilhante na zona
vermelha do espectro deveria aparecer como
vermelha também
Imagem cedida por Mark Tiele Westra
Uma pequena secção do monitor de um
computador portátil mostrando um
documento do Word em branco produz o
espectro apresentado em baixo. As três
cores dos pixeis que compõe a imagem –
vermelho, verde e azul- são perfeitamente
distinguíveis.
Espectro do monitor de
um portátil
Imagem cedida por Mark
Tiele Westra
Como se forma o espectro
Alguns dos espectros que podem ser observados com o
espectrómetro na cixa de cereais, tem uma radiação de fundo, com
as cores a variar suavemente de um vermelho escuro até um azulescuro. Outros consistem em linhas finas num fundo contínuo, linhas
finas sem fundo, ou até linhas escuras num fundo contínuo, tal como
no espectro solar (ver em baixo). Porquê esta diversidade? Como são
formados os espectros?
È tudo graças aos átomos. Um átomo individual pode estar em
diferentes estados de energia, dependendo se os seus electrões
ocupam as orbitais no estado normal ou foram excitados para orbitais
de energia mais alta. Um átomo não pode assumir uma energia
qualquer: a energia está finamente definida, ditada pelos detalhes da
estrutura atómica. Quando um electrão salta duma orbital para outra,
a mudança corresponde a uma quantidade precisa de energia a qual
é emitida na forma de um único fotão. A energia dos fotões emitidos
determina a sua cor.
Porque são possíveis muitos saltos diferentes, cada átomo pode
emitir uma gama diferente de cores. Se a sua luz é separada por um
prisma ou rede de difracção, cada cor é visível como uma linha de
emissão no espectro, a qual é designada por linha espectral.
Uns grãos de sal de
cozinha são submetidos à
chama de uma vela
Para demonstrar a formação de uma linha
de emissão, vamos vero que acontece
quando o sal comum das cozinhas (cloreto
de sódio NaCl) é colocado numa vela acesa.
As imagens de cima mostram o espectro
contínuo da chama, idêntico ao de uma
lâmpada incandescente. Quando uns grãos
de sal são colocados na ponta duma faca e
submetidos á chama da vela, aparece uma
linha laranja distinta no espectro, a qual
corresponde á linha de emissão do sódio
(Na a 589 nm).
produzindo a linha de
emissão do sódio
Imagem cedida por Mark
Tiele Westra
Um átomo não só emite luz, com também absorve fotões da mesma
energia com que emite. Se uma luz passar através de uma nuvem de
átomos, de baixa densidade e fria, os átomos absorvem frequências
específicas causando linhas negras no espectro, as quais são
chamadas de linhas de absorção.
Os três tipos de espectro e a sua origem.
Sólidos, fluidos e gases a lata pressão emitem
um espectro contínuo (cimo). Um gás de baixa
densidade (meio) emite um espectro em
linhas. Finalmente, quando a luz com um
espectro contínuo passa através de um gás de
baixa densidade a frio, absorvem cores
especificas, deixando linhas negras no
espectro de absorção. Click to enlarge image
Imagem cedida por Mark Tiele Westra
Mas se todos os espectros são formados por átomos emitindo cores
finamente definidas, como são formados os espectros contínuos? Para
um único átomo, não afectado por factores externos, as linhas são de
facto finas. Este é o caso de um gás de baixa densidade tal como
numa lâmpada fluorescente. Num gás a alta pressaõ, tal como no
Sol, e também em fluidos e sólidos, há colisões frequentes e muitos
outros mecanismos que fazem com que as linhas percam a sua
definição e se tornem difusas, levando a um espectro contínuo. Os
três tipos de espectro estão sumariados na ilustração seguinte.
Diferentes átomos (e moléculas) têm diferentes espectros de emissão
e absorção. Esta diferença pode ser explorada: basta observar a luz
que vem de um objecto distante, por exemplo o Sol ou uma estrela, e
então podemos dizer que elementos estão presentes. Na Terra esta
técnica é usada fazendo passar luz através de uma amostra (muitas
vezes um gás) e medir o espectro de absorção, a partir do qual a
composição da amostra pode ser concluída.
O espectro solar
Levando o nosso espectrómetro para o exterior, podemos observar o
espectro da luz do sol. O espectro, que se mostra em baixo, parece
contínuo à primeira vista. Mas se olharmos melhor, várias linhas
escuras podem ser observadas, as quais são causadas pela absorção
de frequências especificas de luz por átomos das camadas exteriores
do Sol, e na atmosfera terrestre. A imagem em baixo não faz justiça
ás reais capacidades do nosso espectrómetro na caixa de cereais: a
olho nú as linhas de absorção podem ser vsitas com muito mais
detalhe.
As linhas de absorção que foram observadas no espectro solar têm
um nome: linhas de Fraunhofer. Joseph von Fraunhofer (1787-1826)
foi o primeiro a fazer um estudo sistemático e medidas cuidadosas
destas linhas negras, apesar dele não ter sido o primeiro a observálas. Ao todo, catalogou mais de 570 linhas, as quais categorizou e
nomeou.
O espectro do Sol tal como pode ser visto no
espectrómetro na caixa de cereais. As linhas
correspondem a: (1) hidrogénio a 656 nm, (2)
sódio a 589 nm, (3) ferro a 527 nm, (4)
magnésio a 518 nm, (5) hidrogénio a 486 nm,
e (6) ferro e cálcio a 431 nm. Click to enlarge
image
Imagem cedida por Mark Tiele Westra
Por volta de 1860, Kirchoff e Bunsen descobriram que cada elemento
químico está associado a um conjunto de linhas espectrais.
Deduziram que as linhas de Fraunhofer no espectro solar eram
causadas pela absorção de cores específicas nas camadas exteriores
do Sol. Algumas das linhas eram igualmente causadas pela absorção
de luz pelos átomos da atmosfera da Terra, tal como o oxigénio. Os
estudos destas linhas eventualmente levaram á descoberta do
elemento hélio no Sol, o que foi a prova definitiva de que o Sol é
alimentado por fusão nuclear.
Uma versão de alta resolução do espectro
solar, mostrando uma grande multitude de
linhas de Fraunhofer. Os comprimentos de
onda aumentam da esquerda para a direita, e
de baixo para cima. Click to enlarge image
Imagem cedida pelo National Optical Astronomy
Observatory/Association of Universities for Research
in Astronomy/National Science Foundation
Agradecimentos
Estou em divida com Xiaojin Zhu da University of Wisconsin-Madison,
cuja página web, me forneceu toda a informação de que necesitava
para construir o meu próprio espectrómetro e para interpretar os
resultados. Nesta página estão disponíveis mais espectros. Agradeço
também a Bartjan van der Meer, que me pôs no trilho deste
fantástico projecto de ciência
Opinião
Este artigo descreve uma experiência manual muito interessante que
pode ser facilmente replicado na aula ou em casa. O espectrómetro é
construído a partir de materiais comuns e é usado para mostrar a
composição das cores da luz branca e para comparar o espectro de
várias fontes. De particular interesse é a resenha histórica da
descoberta do espectro da luz do Sol e como este foi usado para
identificar a composição dos seus gases.
O artigo liga a física á química e deve ser interessante tanto par
estudantes do ensino secundário como universitário.
Gaetano Bugeja, Malta
Fontes
Artigo na Wikipedia sobre o espectro do visivel
Informação geral sobre espectros
Artigo na Wikipedia sobre escpectro electromagnético
Artigo na Wikipedia sobre espectrscopia
Artigo na Wikipedia sobre as linhas de Fraunhofer
Artigo na Wikipedia sobre linhas de emissão
Mark Tiele Westra é o Public Information Officer no FOM-Institute for Plasma
Physics Rijnhuizen, Holanda.
Issue 4
Physics
Portuguese
Teaching activities
Source URL: http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer/portuguese