Construcción de espectroscopios sencillos
Objetivo
  • Construir un aparato sencillo para estudiar la descomposición de la luz natural.
  • Observar el espectro de la luz natural.
  • Explicar los espectros a los alumnos. ¿Qué son y qué utilidad tienen?
Introducción
Si quemamos o calentamos una sustancia química y hacemos pasar la luz que emite a través de un prisma o una red de difracción observaremos un espectro de colores muy peculiar, formado por una sucesión de línea de colores. Lo mismo ocurre si hacemos pasar la luz natural.
Espectroscopio de Reflexión
Materiales
  • Una caja de cerillas grande.
  • Un CD (compact-disc o CD-rom) que no sirva.
  • Cinta de doble cara o pegamento.
Realización práctica
  • Cortamos con una pequeña sierra para metales un trozo del CD, aproximadamente de un tamaño de 1/8 del disco.
  • En la parte superior de la caja de cerillas hacemos una ventanita. Cortamos y doblamos el trozo de cartón de forma que pueda abrir y cerrase la ventana.
  • Pegamos el trozo de CD en el centro del cajón interior de la caja de cerillas, de tal forma que al abrir una rendija en el extremo de la caja la luz reflejada y difractada sobre el trozo de CD incida en la ventana.
  • En un CD hay unos 1000 puntos de difracción por cada milímetro de disco, lo que permite separar muy bien los colores elementales.
Espectroscopio construido
Precauciones
La única precaución que hay que tomar es la correspondiente al manejo de herramientas cortantes para obtener el trozo de CD.
Espectroscopio de Transmisión
Materiales
  • Un tubo o una cartulina negra.
  • Un CD (compact-disc o CD-rom) que no sirva.
  • Cinta adhesiva.
Realización práctica
  • Separamos la película metálica de la parte plástica del CD. (Los de la marca intenso se separan muy bien haciendo un corte con un cuter).
  • Cortamos un trozo de la parte plática del CD con una pequeña sierra para metales o bien usamos todo el disco y lo pegamos en uno de los extremos del tubo de cartón.
  • Preparamos un trozo de cartulina con una rendija estrecha y lo pegamos en la otra parte del tubo de cartón.
  • Miramos por el extremo que tiene el disco de plástico hacia una fuente luminosa como un fluorescente y la luz transmitida se difracta observándose el espectro correspondiente.
Espectroscopio construido
Precauciones
Al igual que antes hay que tener cuidado con el manejo de herramientas cortantes para obtener el trozo de CD necesario para la red de difracción por transmisión.
La rendija debe hacerse cuidadosamente para que al observar el espectro se vean bien las correspondientes líneas espectrales.
Explicación científica
Fotografía tomada a través de una red de transmisión.

 

  • El objetivo de un espectroscopio es la dispersión de la luz en sus diferentes longitudes de onda para que pueda ser analizada. La pieza fundamental de un espectroscopio es su elemento dispersor. Existen dos principios ópticos fundamentales que permiten dispersar la luz, la refracción diferencial y la interferencia. El primero da lugar a los espectroscopios de prisma y el segundo a los basados en redes de difracción. Existen también elementos dispersores híbridos, que suelen ser la combinación de un elemento de cada.
  • Las redes de difracción se basan en las interferencias constructivas que se producen cuando la luz atraviesa una sucesión de obstáculos lineales equiespaciados.
  • Existen dos tipos fundamentales de redes de difracción: Las redes de transmisión están constituidas por un soporte trasparente que se raya para conseguir surcos o dientes de sierra muy estrechos y próximos que hagan el papel de obstáculos difractores. Por otro lado están las redes de reflexión, más utilizadas en aplicaciones astronómicas. En estas redes el soporte se raya del mismo modo que en las de transmisión y una vez rayada se recubre de un material reflectante.
Espectro obtenido al observar un fluorescente
  • El trozo de CD se comporta de modo similar a una red de reflexión o de transmisión en el que hay unos 1000 puntos de difracción por cada milímetro de disco, lo que permite separar muy bien los colores elementales.
Curiosidades y otras cosas
  • Durante los años 1665 y 1666 Isaac Newton comenzó a experimentar con la luz para tratar de determinar su naturaleza. Observó que al hacer pasar la luz a través de un prisma, esta se descomponía en los colores del espectro, y al volver a hacer pasar la luz por otro prisma la luz se podía recomponer dando lugar de nuevo a luz blanca. Esto llevó a Newton a concebir la luz solar como un compuesto de luz de diferentes colores. Este fue un importante paso hacia lo que más tarde se conocería como espectroscopía.
  • En 1802 William Wollaston, un científico inglés construyó un instrumento con el cual esperaba separar los colores del espectro. Para ello hizo pasar la luz solar a través de una rendija. Tras ella colocó una lente que convertía la luz en un haz de rayos paralelos que atravesaban un prisma y se dispersaban. Tras este montaje colocó un pequeño telescopio con el cual examinar la luz emergente. Este fue el primer espectroscopio. Utilizando este instrumento Wollaston observó unas rayas oscuras en el espectro solar que interpretó como los límites de los distintos colores concluyendo aquí su investigación.
  • Poco después Joseph Fraunhofer construyó en Alemania un espectrógrafo de precisión con el que estudió estas rayas con detalle, dibujando y clasificando 574 de ellas aunque no llegó a saber a que se debían. Durante los años que siguieron, los astrónomos, los físicos y los químicos estuvieron tratando de dar una explicación a estas líneas, pero no fue hasta 1860 que dos científicos alemanes, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen resolvieron el problema. Encontraron que el espectro continuo era la radiación que emitía un gas denso o un cuerpo sólido denso cuando es calentado. Además cada elemento tenía su propio espectro de rayas brillantes, que aparecían como oscuras si el gas se ponía delante de un emisor de continuo más caliente. De este modo sería posible averiguar la composición de la atmósfera solar con tan sólo comparar las líneas observadas en el espectro del Sol con las que se obtenían en el laboratorio. Este fue el verdadero nacimiento de la espectroscopía.
  • A partir de este momento se empieza a utilizar la espectroscopía como método de análisis de la luz para conocer la naturaleza de los astros, convirtiéndose en la herramienta astronómica más importante del último siglo, ya que la única fuente de información que podemos analizar de los objetos situados fuera de nuestro sistema solar es la radiación electromagnética. Así pues, un estudio detallado de esta radiación es fundamental para conocer los fenómenos que están interviniendo en su generación.
  • A lo largo del siglo XX se ha desarrollado la espectroscopía impulsada por la física cuántica hasta el punto de que el análisis espectral de una fuente de luz nos permite conocer parámetros como la composición, temperatura o velocidad radial. Gracias a los modelos que se han realizado analizando los espectros de gran número de objetos podemos llegar mucho más allá al estudiar un espectro. En el caso de las estrellas podemos deducir su gravedad superficial, viento estelar, envolturas circunestelares, rotación estelar, actividad estelar, edad de la estrella, etc. Al estudiar una galaxia, el estudio espectroscópico nos permite conocer la proporción de estrellas de cada tipo que la componen, la existencia de formación estelar, la edad de los brotes de formación estelar, la distancia a la que se encuentra, la cantidad de gas que contiene, etc.
Bibliografía

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