Es posible construir por uno mismo un espectroscopio de bajo coste y efectivo para observar fenómenos cuánticos de los átomos y fenómenos ondulatorios de la luz. En este artículo se explica como realizar un espectroscopio de rejilla de difracción, y su fundamento teórico.
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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 obtienen las dos mitades, se apreciará 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 arrancándola 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 procede así:
Una vez sujeto el trozo de DVD justo ante la cámara ¡el espectroscopio está funcionando!. Aparece en la pantalla del teléfono móvil el espectro de la luz de un mechero encendido que se ha situado 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, donde se aprecian dos líneas.
- La línea irisada vertical de la izquierda 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.
El espectro de los átomos es un fenómeno cuántico.
Con este espectroscopio se consigue descomponer la luz en sus colores constituyentes. ¿Porqué los colores son éstos y no otros?, y ¿porqué no se trata de un espectro continuo?.
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 y si toman demasiada energía se desprenden 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, y son conocidos los tubos de neón. Cuando absorben energía eléctrica suben a órbitas más alejadas del núcleo. Después 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 . Dado que los niveles de energía de un átomo son fijos, lo colores de su radiación también lo son, resultando característicos de cada átomo al igual que una huella dactilar. A estos colores característicos se les llama espectro del átomo (de sodio, de mercurio, de neón).
La red de difracción.
En un CD la distancia entre pistas de material transparente es de 1,6 micras y actúa como una red de difracción. Supóngase que la luz llega desde la parte superior. Por la parte inferior salen ondas que estarán en fase o no dependiendo de la diferencia de caminos x recorridos por las ondas. En la figura 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\lambdaSiendo n entero. Significa que existen diferentes direcciones en las que se aprecia 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 concretamente 56º y 29º respectivamente.
Los diferentes valores de n producen diferentes rangos de difracción pero cada vez más tenues. El que se distingue en este experimento por su intensidad es para n=1. El espectro visible se verá refractado en un arco de unos 26º, y es lo 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.