Espectro é o resultado da dispersão da luz de uma fonte em seus diferentes comprimentos de onda, chamada lambda. Matematicamente é o fluxo em função do comprimento de onda. O termo espectroscopia é utilizado nas disciplinas de física, química e biologia através da transmissão, absorção ou reflexão da energia radiante incidente em uma amostra, análise de estruturas moleculares. Sua origem encontra-se no estudo da luz visível dispersa de acordo com seu comprimento de onda, por exemplo, por um prisma. Em 1666 Newton mostrou que a luz branca a partir do sol pode ser repartida em uma série contínua de cores.
Isaac Newton
Newton introduziu a palavra "espectro" para descrever tal fenômeno, utilizando uma superfície com um pequeno orifício que emitia um feixe de luz, uma lente para focá-lo, um prisma de vidro para dispersá-lo, e uma tela para exibir o espectro resultante. Assim, a análise da luz feita por Newton é considerado o marco inicial da ciência da espectroscopia.
Prisma de Isaac Newton
A partir daí, os pesquisadores entendem que a radiação solar possui componentes fora da parte visível do espectro. Estes estudos foram os precursores de medições radiométricas e fotográfica da luz, respectivamente. Outra importante contribuição ao desenvolvimento da espectroscopia encontra-se nas pesquisas do alemão Joseph Fraunhofer, que ao observar que o espectro do sol, quando suficientemente disperso é atravessado por um grande número de finas linhas escuras (as chamadas linhas de Fraunhofer). Fraunhofer elaborou as primeiras normas para comparação de linhas espectrais obtidas a partir de prismas de vidros diferentes, além de estudar os espectros das estrelas e dos planetas, usando uma objetiva de telescópio para coletar a luz, dando com isso origem à ciência da astrofísica.
Joseph Von Fraunhofer
Apesar de suas realizações, Fraunhofer não entendia a origem das linhas espectrais que observava. Somente 33 anos após sua morte é que Gustav Kirchhoff estabeleceu que cada elemento e composto tem seu próprio espectro único, e que, ao estudar o espectro de uma fonte desconhecida, pode-se determinar sua composição química. Com esses avanços, espectroscopia se tornou uma verdadeira disciplina científica.
Gustav Kirchhoff
Em 1859, em sua famosa lei, Kirchhoff afirma que a potência emitida e absorvida da luz num determinado comprimento de onda são as mesmas para todos os corpos à mesma temperatura. Um gás, por exemplo, que irradia um espectro de linha deve, à mesma temperatura, absorver as linhas espectrais que irradia. Com isto, Kirchhoff e R. Bunsen explicam que as linhas de Fraunhofer no espectro do sol ocorrem devido a absorção do espectro contínuo emitida a partir do interior quente do sol por elementos na superfície mais fria. Com esta pesquisa, tornou-se possível a análise da atmosfera do Sol.
A espectroscopia passou a ser utilizada como ferramenta científica para sondar a estrutura atômica e molecular, inaugurando o campo da análise espectroquímica para analisar a composição dos materiais. Estas técnicas são utilizadas hoje para analisar os objetos, tanto terrestres e estelar, e continua a ser o nosso único meio de estudar os elementos químicos presentes nas estrelas.
Espectro de radiações e unidades espectroscópicas
O espectro de radiações eletromagnéticas estende-se, em ordem crescente de energia, das ondas de rádio, com longos comprimentos de onda (10^3 - 10^0 m), até radiações de altíssima energia (raios-X e raios-g) com comprimentos de onda muito curtos, entre 10^(-10) e 10^(-15) m. O espectro inclui também regiões de radiações com energias intermediárias, entre microondas e o ultravioleta de vácuo. Cada uma dessas regiões tem suas formas próprias de serem produzidas e detectadas e não existe uma interface perfeitamente definida entre regiões adjacentes, sendo o espectro contínuo do ponto de vista macroscópico.
Os espectros estão presentes no:
- Microondas são ondas eletromagnéticas com freqüências na faixa de 1 a 100 GHz. Esta é a região da espectroscopia de ressonância de spin, e também da espectroscopia rotacional, especialmente para moléculas pequenas na fase gasosa. O extremo superior desta região já se sobrepõe com a região espectral do infravermelho distante (far infra-red = FIR).
- O infravermelho se estende do limite superior da faixa de microondas até o começo da região visível, em um comprimento de onda de cerca de 800 nm. A parte de comprimentos de onda mais longos (0,1 - 1mm) é aplicável à excitação de espectros rotacionais, enquanto a extremidade de comprimentos de ondas menores (o infravermelho próximo, l = 10^(-3) - 10^(-1)mm) é a região onde espectros vibracionais típicos das moléculas são observados: os chamados espectros rotacionais-vibracionais.
- Transições eletrônicas começam no infravermelho, contudo elas ocorrem com maior probabilidade nas regiões visível e UV. Aqui são observados espectros de banda de moléculas, no sentido próprio do termo, i. é, espectros consistindo de transições eletrônicas com transições vibracionais e rotacionais superpostas.
- Além da extremidade de comprimentos de onda curtos do UV, e sobrepondo-se com ela, está a região dos raios-X e, em seguida, de radiação g. Com radiação de tão altas energias, transições e estados dos elétrons mais internos, aqueles nas camadas internas do átomo, podem ser investigados, especialmente por espectroscopia de fotoelétrons
O experimento 1 consiste em verificar o número de linhas por mm de um CD utilizando um laser de cor verde, está é uma criação de uma rede de difração de baixo custo e contribui para o processo de ensino e aprendizagem no ensino de ciências.
Foram separados os seguintes materiais: Tesoura, durex, fita crepe, CD, caixa de MID, papel milimetrado, régua e laser de cor verde (cor opcional). Primeiro foi tirada a película do CD, como mostram as Figuras 1 e 2, de modo a colocar durex na capa para depois pressionar com a unha, o durex deverá ser puxado até que o CD fique transparente, como mostra a Figura 3.
Figura 1. Durex sendo colocado na capa do CD
Figura 2. CD ficando transparente
Figura 3. CD transparente
Depois que o CD ficar transparente ele deve ser colocado na caixa MID, pois será o seu suporte. O papel milimetrado foi colocado na parede (Figura 4) com durex para iniciar o procedimento de testar o feixe de luz do laser no CD até que aparecesse dois pontos de luz verde no papel, como mostram as Figuras 5 e 6, a distância entre o CD e o papel milimetrado foi anotado, assim como a distância entre os pontos verdes, emitidos pelo laser no papel.
Figura 4. Preparação para verificar o número de sulcos do CD
Figura 5. Ajuste do laser para emissão da luz verde no CD
Figura 6. Laser sendo propagado no CD e no papel milimetrado os sulcos do CD
É possível assistir como foi feito o teste mostrado na (Figura 6) no vídeo a seguir:
Conhecido o valor da distância entre os sulcos do CD podemos determinar valores para o comprimento de onda. É possível calcular o "D" e determinar o comprimento de onda incidente da luz verde do laser, como mostra no cálculo a seguir na (Figura 7). Lembrando que o valor de D é o comprimento verificado na régua do CD até o papel milimetrado e o Delta(x) é a distância entre os dois pontos verdes emitidos do laser (sulco), como mostra a (Figura 6).
Figura 7. Calculo para determinar a distância, em nanômetros (nm) e em micrômetros, da luz verde emitido do laser
O valor de "d" será usado posteriormente para calcular o valor dos comprimentos de onda emitidos nos espectros nos experimentos do dia 31/05/17.
ALCANTARA, P. Espectroscopia Molecular. Curso Física Moderna II, Universidade Federal do Pará, 2002. Disponível em < http://fisica.icen.ufpa.br/didatico/espectroscopia.pdf >
