Espectroscopio

Cómo observar fenómenos ondulatorios y cuánticos de la física con un espectroscopio.

Es posible construir uno mismo un espectroscopio de bajo coste y efectivo para observar fenómenos cuánticos de los átomos y ondulatorios de la luz. En este artículo se explica como realizar un espectroscopio de rejilla de difracción, y su fundamento teórico.

Como fabricar el espectroscopio con un CD.

Se toma un CD y se abre por la mitad. La forma más fácil es insertar la punta de un cuchillo afilado por el interior del agujero central. Una vez que se tienen las dos mitades, se verá que una de ellas está plateada. Esta es la que interesa, porque es la que lleva la rejilla de difracción. Antes de poder usarla habrá que eliminar la cubierta metalizada por ejemplo arancándola a tirones con cinta adhesiva. Una vez se consigue limpiar una zona, se recorta y se pone directamente ante la cámara de un teléfono móvil. Se hace así:

Una vez sujeto el trozo de DVD justo ante la cámara ¡ el espectroscopio está funcionando !. Aparece en la pantalla del móvil el espectro de la luz de un mechero encendido que se ha puesto cerca, Es hora de tomar algunas imágenes interesantes, mejor de noche…

Se busca una zona donde haya farolas y se saca una foto como la de abajo. La linea irisada de la izquerda vertical puede corresponder con el espectro del mercurio 404, 407 y 435 nm (azules), 546 nm (verde), y 577 y 579 nm (amarillo-naranja). La bombilla correspondiente de abajo tiene tonos blancos que se deben a la fuerte presencia de azules en el espectro.

Sin embargo la línea irisada vertical de la derecha parece una bombilla que lleve sodio por el característico amarillo intenso de este átomo.

espectroscopio

El espectro de los átomos es un fenómeno cuántico.

Con éste espectroscopio se consigue descomponer la luz en sus colores constituyentes. ¿Porqué los colores son los que se ven aquí y no otros, o bien porqué no se trata de un espectro contínuo?.

Resulta que los electrones ligados a átomos sólo pueden tomar ciertos valores de energía, y éste es un resultado central de la física cuántica. Cuanta más energía más lejos están del núcleo. Si tomaran demasiada energía se desprenderían del átomo y serían electrones libres.

Los electrones se mueven entre los niveles de energía si se hace pasar una corriente eléctrica por el gas de la bombilla. En las comerciales suele ser gas de mercurio o sodio. También son conocidos los tubos de neón. Cuando absorben energía electrica suben a órbitas más alejadas del núcleo. Luego vuelven a su nivel de más baja energía, es decir a órbitas más bajas, y desprenden la energía que les sobra en forma de fotones.

Estos fotones tendrán un color correspondiente con la diferencia de energías según la relación de Plank-Einstein E = \hbar \omega . Como los niveles de energía de un átomo son fijos, lo colores también, y son característicos de cada átomo. A estos colores característicos se les llama espectro del átomo (de sodio, de mercurio, de neón).

La red de difracción.

Un CD tiene 1,6 micras de distancia entre pistas. El material es transparente y actúa como la red de difracción del esquema abajo. Suponemos que la luz llega desde la parte de arriba. Por la parte de abajo salen ondas que estarán en fase o no dependiendo de la diferencia de caminos x que sean recorridos por las ondas. En la figura inferior aparecen en fase, pero es claro que si la distancia x aumenta o disminuye, el desfase hará que la interferencia sea parcial o totalmente destructiva. La condición de máximo de intensidad para una longitud de onda \lambda es x=d\sin(\alpha)=n\lambda

Siendo n entero. Significa que hay diferentes direcciones en las que podemos tener interferencia constructiva para cada frecuencia. Por ejemplo para la luz roja (750nm) y la violeta (400 nm), siendo la distancia d de 1600 nm en el CD, y n=1 los ángulos de máxima intensidad son de 56º y 29º respectivamente.

Red de difraccion espectroscopio
Red de difracción espectroscopio

Los diferentes valores de n producen diferentes rangos de difracción pero cada vez más tenues. El que se aprecia en éste experimento por su intensidad es para n=1. El espectro visible se verá refractado en un arco de unos 26º, que es lo que se ha fotografiado.

Para saber más…

Y sin más que añadir por el momento, espero que haya gustado este experimento, como siempre cualquier sugerencia o comentario son bienvenidos.

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