Espectroscopio simple casero. – I –

TALLER E INVESTIGACIÓN.

Desentrañando los misterios de la luz.

Hace mucho tiempo tuve la maravillosa experiencia de tener una pequeña red de difracción la cual vino en una revista científica juvenil con una cajita de cartón para hacer un espectroscopio. Quede fascinado por el invento y por los espectros que vi y desde aquel entonces no tuve el placer de disponer de una red de difracción para experimentar.

Hoy en día los jóvenes curiosos, inventivos y amantes de las ciencias tienen a su disposición una cantidad inmensa de materiales tecnológicos y científicos para desarrollar sus pequeños y grandes proyectos que hace tan solo unos 30 años atrás era casi imposible conseguirlos como el caso de las rejillas de difracción y los rayos laser por mencionar algunos.

Estamos en contacto continuo con las rejillas de difracción sin percatarnos de ello, me refiero a los discos compactos o CD y los DVD. Al mirar la parte posterior de un CD o DVD rápidamente nos damos cuenta de la multitud de destellos de colores a modo de múltiples arcoíris que en él aparecen. La causa de los mismos se debe a que tanto los CD como los DVD están “grabados” con miles de rayas o líneas por centímetro lineal las cuales generan y favorecen la difracción de la luz creando a los arcoíris.
La descomposición de la luz blanca en sus respectivos colores por medio de un prisma siempre ha sorprendido a las personas, sus colores y brillos son de tal naturaleza que uno simplemente se queda fascinado por el espectáculo. Sin embargo, más allá de la fascinación sensorial que nos produce el espectro, él es portador de un mensaje sutil sobre el origen y la composición de la fuente luminosa.

En el año de 1.669 Isaac Newton abre el camino para descifrar la información contenida en la luz al realizar los primeros experimentos con un enfoque analítico sobre la descomposición de la luz blanca en los colores del arcoíris al ser refractados por un cristal en forma de prisma triangular. Durante sus experiencias Newton no se percató que el espectro solar no era continuo. Fue Joseph Fraunhofer 145 años después quién observa líneas obscuras en el espectro solar al construir lo que sería el primer espectrógrafo. Fraunhofer calcula las frecuencias de estas líneas y las identifica pero desconoce el origen de las mismas. 45 años más tarde Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen repitieron algunas experiencias de Fraunhofer. Empleando el “mechero de Bunsen” observan que los gases desprendidos por las substancias quemadas originaban líneas brillantes que estaban situadas en la misma posición en el espectro solar que las bandas oscuras de Fraunhofer y se dan cuenta que cada elemento tiene su “huella” espectrográfica que lo identifica. Kirchhoff demostró que las líneas brillantes se convertían en oscuras cuando la luz blanca atravesaba a un gas frío.

Con estos descubrimientos nació la espectroscopia química que ha sido muy útil tanto en la química terrenal como en la astronomía, permitiendo al Hombre descubrir la composición química de las estrellas y de otros cuerpos astronómicos.
La difracción de la luz también es un fenómeno interesante que por medio de otro mecanismo muy diferente al de la refracción es capaz de descomponer la luz blanca en sus colores.

En esta entrega nos dedicaremos a fabricar un espectroscopio simple de difracción por transmisión a partir de un CD. Me refiero a simple por su óptica ya que no tendrá lente colimadora ni objetivo de enfoque. Aunque no llega hacer un instrumento estrictamente científico que nos permita medir los ángulos de difracción, va más allá de un juguete y es lo suficientemente bueno para permitirnos presenciar las líneas de absorción o de Fraunhofer y las líneas de emisión de algunas fuentes luminosas comunes. Evidentemente, su poder didáctico va más allá de una simple realización práctica.

La imagen siguiente nos muestra los componentes del espectroscopio casero.

RED DE DIFRACCIÓN:

La red de difracción la fabricaremos a partir de un CD, puede ser un CD virgen o uno descartado utilizado, el mismo debe estar libre de rayas.

Un CD tiene grabado un surco en espiral de 0,6 µm de ancho con una separación entre surco y surco de 1,6 µm. La presencia del surco en espiral hace del CD en una excelente red de difracción de fácil adquisición.

La difracción de la luz se produce cuando el frente de ondas luminosas choca con un borde o atraviesan una rendija muy delgada. A este fenómeno se le conoce como “la flexión de la luz alrededor de un obstáculo”. Es el mismo mecanismo que se presentan en las ondas cuando interceptan un obstáculo y de allí la demostración física del comportamiento ondulatorio de la luz.

Para hacer nuestra red de difracción tenemos que eliminar la capa platinada del CD y podemos hacerlo por medio de dos métodos; un método consiste en realizar un corte por el lado del platinado con un “exacto” por el borde (aproximadamente 1 mm del borde del disco) siguiendo la curvatura del CD, notaremos como el papel plateado empieza a separarse del CD. Con mucho cuidado arrancamos el papel para no rayar la superficie transparente del policarbonato.

Cortando el borde platinado.

Para evitar rayar el CD, con un papel despegamos la capa platinada.


CD sin la capa platinada.

El otro procedimiento, consiste en cortar con el exacto al CD con las dimensiones de la red de difracción que queremos, al realizar esto, la capa platinada se desprende por los bordes de corte y podemos retirarla con facilidad.

Para el aparato que estamos fabricando, la red de difracción es cuadrada con dimensiones de 33 x 33 mm. El corte del CD para hacer la red de difracción debe estar alineado de manera que las líneas de difracción resultantes queden ordenadas de acuerdo a las caras del cuadrado. La foto siguiente nos muestra la difracción que generan los surcos y su “alineación” con las caras del cuadrado.

Podemos observar, que las bandas de colores toman la configuración en abanico debido al rayado circular (espiral) grabado en el CD. Nos interesa conocer de que lado del cuadrado está la parte ancha de este abanico de difracción, ya que en nuestro espectroscopio debemos colocar la red de difracción de manera que el abanico (la parte ancha) quede hacia abajo con la finalidad de observar el arcoíris de mayor tamaño que genera la red de difracción que hemos construido.

El corte del CD determina el ancho del tubo que necesitamos para fabricar el aparato. Como la red empleada es cuadrada, el tubo del espectroscopio será cuadrado también.

MASCARA:

El objetivo de la máscara con la ranura es evitar la luz difusa y permitir el paso de un estrecho haz de luz paralela hacia la red de difracción a modo de colimador (rendija colimadora), con esto se mejora mucho el espectro producido por la red de difracción. La distancia de la rendija colimadora a la red de difracción será de 300 mm, que es la distancia de enfoque de un ojo normal. Esta distancia nos determina la longitud del tubo de admisión de la luz.

La máscara con la rendija colimadora la haremos a partir del cartón de una caja de cereal, el ancho de la ventana será de 1 mm x 33 mm de largo, la figura siguiente nos muestra la plantilla para hacer la máscara.

Es importante que la rendija colimadora quede paralela “al rayado” del CD. Con esto obtenemos un arcoíris largo en vez de uno estrecho. La rendija mejora sustancialmente la imagen del espectro.

Un defecto que observaremos en nuestro espectroscopio, es que la rendija por ser estrecha hace el efecto de la cámara obscura reproduciendo parcialmente (desenfocadas) las imágenes de los objetos luminosos que estamos mirando sobre la red de difracción.

TUBO:

El tubo para nuestro espectroscopio se fabricará con cartón de construcción de maquetas de 2 mm de espesor.
Para determinar el ángulo de desviación que tendrá el tubo ocular con respecto al tubo de admisión nos apoyaremos en las fórmulas del fenómeno de difracción, en el cual el ángulo de difracción queda determinado por el valor medio de los ángulos de difracción de las longitudes de onda en los extremos del espectro visible.

La expresión siguiente define el ángulo de difracción (θ) que sufre un rayo de luz al atravesar una red de difracción:

Sen (θ)= m × λ/d

Donde:

θ = Ángulo de difracción con respecto al eje óptico.
λ = Longitud de onda de la radiación (luz).
d = Constante de la red de difracción. (Separación entre línea y línea de la red)
m = Orden de difracción. En nuestro caso es el primer orden, m=1, para obtener un espectro brillante a cambio de resolución.

El espectro visible está comprendido entre las longitudes de onda de 0,4 µm para el color violeta y 0,7 µm para el color rojo aproximadamente.

Nuestra red de difracción fabricada a partir de un CD tiene una constante de red de 1,6 µm, lo que corresponden a 625 líneas por milímetro.

Con estos valores de longitud de onda, de la constante de la red y que utilizaremos la difracción de primer orden, podemos determinar los ángulos de difracción extremos:

Para el Violeta, θ = 14,5º

Para el Rojo, θ = 25,9º

El ángulo medio entre los dos colores nos determina la desviación o la inclinación del tubo ocular con respecto al tubo de admisión, este ángulo medio es de 20,2º, ángulo que se corresponde muy de cerca al del color amarillo.

La longitud del tubo ocular la determinamos de acuerdo al “ancho” que queremos tener de arcoíris. En este proyecto, el ancho del arcoíris observado será de 20 mm.

El valor de dispersión que permite la red de difracción en para los dos extremos del espectro visible es de 11,4º (ángulo del color rojo menos el ángulo del color violeta). Podemos construir un triángulo rectángulo con cateto adyacente igual a la longitud del tubo ocular buscada, el cateto opuesto igual a la mitad del ancho del arcoíris buscado (10 mm) y por ángulo entre la hipotenusa y el cateto opuesto que es igual a la mitad del ángulo abarcado por la difracción (11,4º).

De aquí que la longitud queda definida por:

L= 10/Tg(7,2º)

Longitud del tubo ocular: 100 mm.

Con toda la información conseguida podemos realizar las plantillas con las dimensiones para la fabricación del cuerpo del espectroscopio con cartón de construcción. Las figuras muestran las plantillas.

Tapas laterales.

Tapa superior.

Tapa inferior.

Las líneas indicadas como “línea de corte” en las plantillas se refieren a los lugares donde se realizará un corte poco profundo que no atraviese al cartón, como de 1 mm de profundidad para permitir el doblado de las tapas superior e inferior de acuerdo al contorno de las tapas laterales.
Las imágenes siguientes muestran el procedimiento de armado del espectroscopio.

Mascara pegada el cartón de caja de cereal.

Máscara con rendija recortada.


Plantilla de tapa lateral pegada al cartón de 2 mm de espesor.


Tapas recortadas.



Pegando tapa lateral y tapa inferior.

Colocando soportes para la red de difracción. Estos soportes se hacen a partir de pequeñas tiras de cartón. Esta realización nace producto de la necesidad de colocar la rejilla para no pegarla al cartón.

Colocando soportes de la red en la otra tapa lateral. Se debe tener cuidado que el soporte quede en el mismo lugar que en la otra tapa para que la red quede lo más derecha posible.

Medio cuerpo del espectroscopio ensamblado.


Para evitar reflexión internas en el tubo de admisión y ocular, las paredes internas se pintan de negro


Es importante antes de cerrar completamente el espectroscopio, que el abanico de difracción quede con la parte ancha hacia abajo.


Aspecto final del espectroscopio casero de baja resolución.

Con el espectroscopio terminado ya podemos realizar nuestras primeras observaciones en el campo de la espectroscopia y disfrutar de las hermosas líneas de colores.

Como se mencionó más arriba, nuestro espectroscopio trata de reproducir algunas imágenes, lo que nos enturbia un poco el espectro resultante y para evitar este fenómeno que es muy marcado cuando estamos viendo el espectro Solar (Para no quedar fuertemente encandilados, evitar mirar directamente el Sol con el espectroscopio), apuntamos con el espectroscopio a una pared lisa y blanca directamente iluminada por el Sol y allí veremos el arcoíris de colores formado por la refracción de luz la blanca. Notaremos inmediatamente que el espectro no es continuo, si no que presenta algunas bandas obscuras, la más marcada está en el color naranja. Yo pude contar unas seis franjas bastante definidas y otras tantas más débiles y poco definidas por la pobre óptica del aparato. Dos bandas muy estrechas en el rojo, una en el borde hacia el rojo obscuro, otra más o menos en el centro. Dos bandas muy débiles en el verde como en el centro del color, una en el azul y una en el violeta.

Las imágenes siguientes son algunos espectros sencillos de localizar. Debo advertir, que las fotografías de los espectros presentan un aspecto muy pobre y hasta lamentable en cuanto al brillo, pureza de los colores y resolución. Las exposiciones fueron en manual y sensibilidad ASA 400, ya que en automático la cámara sobre expone y los espectros aparecen como continuos y sin detalles. Por otro lado se puede apreciar fácilmente en las fotografías que la superficie del CD (Red de difracción) está muy rayada, detalle que no se observaba tan marcado a simple vista. Es por ello que a la hora de escoger el CD para hacer nuestro espectroscopio tenemos que ser muy cuidadosos en su manipulación, por que a pesar de que el plástico transparente es “resistente” al rayado, el mismo se marca con relativa facilidad.

La foto (imagen invertida) siguiente muestra el espectro Solar, puede observarse la presencia de las bandas de Fraunhofer.

En la foto (espectro Solar) siguiente se pueden observar otras líneas de absorción particularmente en el color verde.

La foto siguiente muestra el espectro de una lámpara de incandescencia. Acá se puede observar que el espectro es continuo. Los espectros continuos son generados por los sólidos incandescentes, no existen bandas de absorción ni de emisión.

El espectro siguiente corresponde a un bombillo “de bajo consumo”, los cuales son muy similares a las lámparas fluorescentes.

Este espectro espectacular es uno de emisión, los espectros de emisión lo producen los gases y vapores ionizados (incandescentes). En principio, en función de las bandas brillantes de colores se podría determinar a grandes rasgos los compuestos gaseosos del bombillo de bajo consumo.

La imagen siguiente corresponde a las emisiones de una lámpara fluorescente.

Comparando ambos espectros podemos notar una diferencia entre los componentes de la lámpara fluorescente y la de bajo consumo. La lámpara fluorescente presenta dos bandas luminosas muy fuertes, en el verde y en el añil, adicional una banda débil en el amarillo (no aparece en la foto y en su lugar está una tenue línea verde haciendo frontera con el naranja, este es otro problema de las fotos obtenidas, los colores no se corresponden exactamente a como los percibe el ojo). Bandas que aparecen también en el bombillo de bajo consumo, pero este muestra además una banda brillante en el rojo. La mezcla de los colores da la sensación de luz blanca. En la fluorescente, se observa además superpuesto a las líneas brillantes un espectro continuo que es generado por el recubrimiento interno del tubo de la lámpara fluorescente.

La imagen muestra a los dos espectros donde se aprecia con claridad las diferencias.

Es interesante observar también las lámparas de alta presión de mercurio del sistema de alumbrado público además de las de sodio de alta y baja presión, los espectros son realmente interesantes, en particular con la lámpara de sodio de alta presión (lamentablemente no pude obtener una fotografía) por que en este espectro se puede ver con claridad la doble línea característica del sodio en el amarillo.

A pesar de lo deficiente de las fotos, las pongo para intentar estimular al lector para que se construya su aparato y despertarle la curiosidad.