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¿CON QUE SE COME EL ESPECTROSCOPIO?

El fundamento del espectroscopio

Un espectroscopio es un instrumento destinado a separar las diferentes componenetes de un espectro óptico. Está constituido por una rendija situada en el plano focal de un colimador un prisma o una red de difracción y un anteojo para observar el haz dispersado.

Aunque su fundamento, la descomposición de la luz blanca en los diferentes colores que la componen, data del siglo XVIII, debido al físico, astrónomo y matemático insigne Isaac Newton, no es hasta bien entrado el presente siglo XX en que se utiliza para observar, analizar y medir los diferentes aspectos químico-físicos (la temperatura, composición química, velocidad, etc.) de la luz procedente de las estrellas, galaxias y demás objetos astronómicos, inaugurando, de esta forma, una nueva era en la Astronomía: la Astrofísica.

Para producir la descomposición de una luz compuesta de varis colores Newton utilizó el prisma, que hacía desviar de forma diferente a cada color (longitud de onda) al ser atravesado por el rayo. Simulación del comportamiento del prisma.

Posteriormente se utilizaron las "redes de difracción", que consisten en un soporte (transparente o reflectante) con rendijas pequeñísimas, en cada milímetro pueden entrar nada menos que entre 500 hasta más de 1000 rendijas, que hacen que cada color del rayo de luz se disperse en todas las direcciones (difracción) primero, pero que luego en cada una de las longitudes de onda iguales (color) procedentes de cada uno de los rayos del haz de luz blanca se refuerce o destruya según unas direcciones determinadas (interferencia constructiva o destructiva), obteniendose el mismo resultado que en el prisma: la descomposición de una luz policromática en sus componentes, pero esta vez con mayor eficacia, es decir, con una mejor y más uniforme separación de los mismos.

 

¿Cómo funciona un espectroscopio?

 

Un espectroscopio permite averiguar cuales son los elementos emisores de luz, al separarla en sus colores componentes y presentar un espectro (como una arco iris).

Cada elemento produce colores diferentes. En el espectroscopio estas líneas de colores delatan los elementos en la fuente.

http://www.cientec.or.cr/ciencias/instrumentos/graficos/incandescent_spectrum.jpg

Este es el espectro de un bombillo incandescente.

http://www.cientec.or.cr/ciencias/instrumentos/graficos/bombillo.gif

Los colores son seguidos, sin cambios grandes de intensidad. Es un espectro contínuo, sin líneas negras que lo partan horizontalmente.

Claramente se ve el rojo, seguido del verde y de último el azul.

Una bombilla de halógeno es muy similar.

Ahora un fluorescente. Este es una foto de ese espectro.

Se distinguen más tonalidades, diferencias en intensidad en ciertas regiones y rayas negras que parten el rojo.

Las línea verde intenso, morada fuerte y el débil anaranjado nos indican la presencia del elemento Mercurio, que genera parte de la luz.

El espectro continuo del fondo está generado por la película de fósforo que cubre el vidrio y es exitado por el Mercurio.

Los fluorescentes funcionan al calentar gas de Mercurio hasta que este brille, lo que a su vez activa la película de fósforo que cubre el interior del vidrio.

http://www.cientec.or.cr/ciencias/instrumentos/graficos/fluorescent_spectrum.jpg

En este caso hay dos elementos que emiten luz: Mecurio y Fosforo.

 

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Una pantalla de computadora de escritorio con fondo blanco presenta este espectro de luz.

La pantalla de Cristal Líquido de una computadora portátil muestra un espectro diferente.


Cazando espectros

 

  • SODIO - Tal vez en tu barrio la iluminación pública es de sodio (amarilla). Te gustará mucho este espectro que muestra muchas líneas brillantes y separadas (discretas). Verás aquí unas líneas amarillas características del Sodio y también la línea verde indicadora de Mercurio.
  • NEON - En una regleta eléctrica normalmente se encuentra un control de apagar y prender que emite luz roja (un bombillito de Neon). Inspecciónala con tu espectroscopio. Encontrarás muchas líneas espectrales discretas y brillantes en rojo y anaranjado. También puedes salir a ver los rótulos de “Neon” de los anuncios. Cuando no son rojos, aunque la gente los llama neones, contienen otros gases, tales como argón y otros.
  • SOL- NO LO VEAS DIRECTAMENTE. Para ver su espectro nada más tienes que apuntar hacia una superficie blanca iluminada. El espectro que encontrarás es continuo, ya que es generado por un gas incandescente.

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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.

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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.

CD-2.jpg (9302 bytes)

HISTORIA Y COSAS CURIOSAS
  • 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.