0051 Algunas pruebas de espectrometria_

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La espectromertría

La espectrometría óptica o espectroscopía es una rama de la ciencia que trata de la radiación luminosa que emiten los cuerpos, y su utilidad se extiende hoy en día desde la astronomía, hasta la agricultura, pasando por la física y la química.

La espectrometría mide e identifica las diversas radiaciones luminosas individuales que forman la luz, es decir, su espectro de frecuencias (ya que es una radiación electromagnética a igual que las ondas de radio) y sus amplitudes respectivas.

Esta técnica tuvo sus antecedentes en 1670, en los trabajos que llevó a cabo Issac Newton sobre la naturaleza de la luz. El brillante físico inglés tal vez no fue la primera persona en descomponer la luz blanca mediante un prisma, pero sí fue el primero en darse cuenta del significado de tal fenómeno, asegurando que los colores resultante no eran producidos por el cristal del prisma, sino que en realidad eran componentes de la propia luz . Esta afirmación la demostró haciendo converger los colores en un sólo punto, que de nuevo aparecía blanco.

Dibujo de Newton explicando la separación de la luz y grabado representativo de la experiencia

Efecto separador del prisma sobre un rayo de luz blanca. El arco iris se forma por refracción

Refracción óptica

La refracción es un fenómeno que produce un cambio de dirección de un rayo de luz que se produce cuando ésta pasa oblicuamente de un medio a otro. La causa reside en el cambio de velocidad al que se ve sometida al atravesar ambos medios, que tiende a desviar el frente de ondas hacia donde tenga menor velocidad.

La velocidad de la luz en el vacío es de 299.792.458 m/seg. En cambio, dicha velocidad puede quedar reducida sensiblemente al pasar a través del vidrio o el agua. Cada elemento, por lo tanto tendrá el denominado Indice de Refracción, que es el cociente de la velocidad de la luz en el vacío dividida por la velocidad en el medio.

n=c/v(n = indice de refracción, c =velocidad de la luz en el vacío, v=velocidad de la luz en el medio)

La desviación el prisma provocará a un rayo de luz dependerá por lo tanto del Coeficiente de Refracción, pero también de la frecuencia de la luz incidente. Las frecuencias más altas, correspondientes al ultravioleta y el azul serán desviadas en mayor medida que las del rojo y el infrarrojo, de frecuencia más baja. De esta manera, la luz blanca, que como ya he explicado no es más que una suma de frecuencias, quedará separada en una banda donde podrán distinguirse sus componentes.

Difracción óptica

La difracción está causada por un doblamiento de un frente de ondas al topar con un obstáculo o un borde abrupto. En que la onda se frena e intenta rodear. La teorías asocian la difracción al hecho que cada elemento tocado por una onda puede convertirse a su vez en un emisor, estableciéndose patrones de interferencia entre fases de onda, que causan el fenómeno.

A este respecto, si bien el prisma fue el primer sistema para descomponer la luz, en la actualidad se utilizan los llamado filtros de Difracción Grating que proveen una mayor separación espectral de los colores. El filtro esta compuesto por una superficie transparente en la que se grabado un patrón de lineas paralelas, con una distancia entre ellas parecida a la longitud de onda de la luz. Entonces, como el ángulo de difracción depende igualmente de la longitud de onda, al incidir la luz blanca sobre el filtro, éste separa los colores respectivos formando su espectro.

Los Filtros Grating se caracterizan por principalmente por el número de líneas por milímetro, que dependiendo de la resolución espectral que se quiera obtener, pueden ser desde algunas decenas hasta varios miles.

Filtro de Difracción Gratingn en formato de diapositiva y efecto de interferencia de la difracción

El espectrómetro y los espectros de emisión y de absorción

El espectrómetro de prisma fue inventado en 1860 por Georg Kirchhoff y Wilhem Bunsen y permite conocer la composición de elementos incandescentes. A la vez, Kirchhoff descubrió que estos mismos elementos, al estar a una temperatura inferior a la de incandescencia, eran capaces de "absorber" los mismos colores que producían anteriormente. Con ello se explicaba el descubrimiento realizado por Fraunhofer, al observar que sobre el espectro en forma de arco iris del sol aparecían unas rayas oscuras.

Ejemplo de espectros complementarios de absorción y de emisión de un elemento indeterminado

Mediante este sistema se identificaron los gases y elementos que constituyen la superficie del sol y de muchas estrellas. Por ejemplo, de esta manera se descubrió la existencia del gas helio, mucho antes de que fuera encontrado en la tierra.

Corrimiento al rojo

Al estudiar los espectros de las estrellas se observó además un extraño efecto denominado "Corrimiento al rojo" de las rayas de absorción de ciertas galaxias lejanas con respecto a la posición que ocupan el el espectro solar. Esto se explica principalmente por el llamado Efecto Doppler, por la disminución de la frecuencia de la luz (aumento de su longitud de onda) cuando el foco emisor se aleja de nosotros a gran velocidad, lo cual demuestra la teoría del Big Bang y que el Universo se está expandiendo en todas direcciones.

Construcción de un sencillo espectrómetro de difracción

Recientemente, asistí a una conferencia de divulgación científica sobre la naturaleza y las propiedades de la luz. En ella, el ponente repartió entre los asistentes unos trozos triangulares de plástico que habían sido recortados de discos CD obsoletos, a los que se les había quitado la capa reflectiva. Explicó que debido al proceso de fabricación de los discos, estos actuaban como improvisados filtros de difracción, ya que las pistas donde se guardan los datos en forma de marcas formaban cientos de líneas por milímetro que producían el típico fenómeno de interferencia óptica.

Seguidamente mostró cómo se podía distinguir la procedencia de una luz a través del espectro resultante, comparando el resultado de visionar algunas lámparas distintas, como las de incandescencia, las de bajo consumo, los fluorescentes normales o las de vapor de sodio.

El asunto despertó mi interés, y cuando llegué a casa, cogí un tubo de cartón de rollo de cocina y me dispuse a construir un artilugio algo más serio.

Con el sistema de CD, básicamente hay dos métodos, el de trasmisión, en el que la luz atraviesa el filtro de plástico, descomponiéndose en sus colores integrantes, o por reflexión, que produce el mismo fenómeno en un ángulo de visión diferente.

Yo opté por el sistema de trasmisión, y la realización práctica se muestra a continuación:

1) A partir de un CD sin grabar (de que tienen en el fondo los blisters de CD en forma de columna), recorté primeramente un triángulo y de éste un círculo de 5 cm de diámetro.

2) Pegué con cianocrilato el disco de plástico al final de un tubo de cartón de rollo de papel de cocina, de una longitud de 18 cm. Marqué sobre el exterior del cartón el punto que coincidía con la parte del disco de plástico orientado hacia el centro del CD original.

3) Con cartulina negra recorté un disco de 5cm. en el que practiqué una rendija recta de unos 2 mm. y de 3 cm de longitud.

4) Pegué sobre dicha rendija dos hojas de afeitar Gilette, de manera que con sus filos cerraran la rendija hasta dejar sólo una abertura de un par de décimas de mm.

5) Pegué esta tapa de rendija sobre el tubo de cartón, teniendo cuidado que el punto de referencia del disco de plástico quedara lo más perpenticular posible a la rendija.

6) Recorté un segundo tubo de cartón, del mismo grosor y longitud, dándole un ángulo de canto de manera que pegado al tubo anterior, justo en el lugar donde estaba el filtro de plástico, quedara orientado unos 20º grados "hacia arriba" de la marca de centro del disco.

7) Recorté un disco de cartón de 5cm. de diámetro, practicándole un agujero de 1cm. en el centro a modo de ocular. Este disco fue pegado en el extremo de este segundo tubo de cartón.

Los diferentes aspectos de construcción pueden verse en las fotos siguientes:

Una vez acabado, primer espectro observado en la luz de la lámpara de bajo consumo del flexo de la mesa

Los primeros resultados fueron satisfactorios, aunque sin duda pueden mejorarse pintando el tubo interiormente de negro.

Con este sencillo dispositivo pude sacar los espectros de algunas fuentes luminosas de uso común:

Construcción improvisada de prismas ópticos

Bien, el siguiente paso que me propuse fue el de hacer lo mismo de una manera un poco más elegante, es decir, utilizando un prisma. Pero como no tenía ninguno a mano, decidí construirlo.

Para ello utilicé cristales de portamuestras y de cubremuestras de microscopía, y una vez unidos con cuidado con cinta adesiva transparente, formando transversalmente un triángulo equilátero (ángulos 60+60+60), coloqué los cristales sobre una base de plastilina y rellené el molde resultante con un tipo de resina epoxi transparente utilizada en trabajos de manualidades.

Surgieron problemas, naturalmente. Al día siguiente, una vez seca la resina, observé como los dos primeros prismas quedaron llenos de diminutas burbujas que afectaban un poco a la transparencia, aunque pude comprobar como dicho "prismas" descomponían perfectamente los colores.
En una segunda prueba, tuve tanto cuidado en mezclar muy lentamente la resina, que la masa no me quedó bien homogénea, con la consecuencia de que dos días más tarde, especialmente en el prisma de 7,5 cm de altura, algunos puntos no habían polimerizado, y tuve que tirar el resultado a la basura.

Otra idea fue construir prismas huecos, que después pudieran rellenarse con distintos líquidos transparentes. Utilicé de nuevo los portamuestras de microscopía, pegando los vértices con Araldit y realizando las tapas triangulares inferior y superior con metacrilato de 3 mm. de grosor. A la tapa superior se le practicó en el centro un agujero de 5 mm. destinado al llenado, y que sería tapado con un pequeño tapón de caucho.

Al Araldit lo utilicé después de unas pruebas fallidas con pegamentos del tipo cyanocrilato, los cuales son demasiado rígidos y tienen en gran inconveniente de que sus vapores manchan el cristal, tanto externamente como internamente, con un rastro blanco que es muy difícil de quitar.

Para las primeras pruebas de llenado utilicé agua destilada, y observé que al poco me aparecían gran cantidad de pequeñas burbujas pegadas a los cristales, procedentes in duda del aire disuelto en el agua. El sistema de removerlas fue dejar en el interior una burbuja de 4-5 mm. que pudiera utilizarse para "arrastrar" las más pequeñas, que después ya no vuelven a aparecer.

En estos momentos dispongo de dos prismas de cristal-epoxi de 2X2 cm., de uno del mismo material de 1,5X1,5 (cuyas características ópticas, sin saber el motivo, son mucho peores que las de los dos anteriores de 2cm.), y de tres prismas huecos de 7,5X2,5 cm. en el que pueden introducirse líquidos diversos, como agua, parafina o disoluciones varias.
Aparte de ello, he desguazado unos viejos prismáticos Tasco, que nunca fueron gran cosa, y he obtenido los 4 prismas de Porro, que también funcionan utilizando la cara principal y una de las traseras a 45º, ya que estos son prismas rectos, especialmente tallados para reflexión y no para refracción.

Tipos de prismas disponibles para las pruebas

De momento he llevado a cabo una prueba del ángulo de refracción que dan estos prismas para la longitud de onda de 650 nm. correspondientes a un puntero láser rojo corriente. Naturalmente, si dispusiera de un láser azul se podría averiguar además el "tamaño" angular del espectro que se obtendría finalmente con ellos.

Medida del ángulo de difracción mediante un láser rojo de 650 nm.

Y los datos obtenidos han sido:

- Para el prisma de cristal-epoxi (60+60+60): 42º

- Para el prisma de cristal-agua (60+60+60): 24º

- Para el prisma de cristal-parafina (60+60+60): 34º

- Para el prisma de Porro (90+45+45): 26º

En pruebas improvisadas de descomposición de la luz, el prisma de epoxi da una separación de colores de prácticamente el doble del de agua, aunque éste ofrece un arcoiris más claro y luminoso. El de cristal-parafina es excelente, mejor claridad que el agua y un ángulo 10º superior. Los de Porro superan por muy poco al de agua, aunque son evidentemente los que dan más calidad óptica.

De momento, intentaré encontrar alguna otra resina de más transparencia, todo ello hasta que pueda encontrar prismas verdaderos de cristal "flint" (el que da más separación de colores). Puesto que mi idea es poder llegar a realizar demostraciones de espectros de absorción, y mucho me temo que mis prismas improvisados no den para tanto.

Este procedimiento, evidentemente con mejores materiales, un haz más fino y un sistema micrómetrico de medición , puede utilizarse para estudiar disoluciones de diversas sustancias, como azúcar, cloruro sódico, sultafos, nitratos, aceites, hidrocarburos, etc. Y hasta averiguar sus concentraciones a partir de tablas elaboradas previamente.

El procedimiento puede ampliarse además al infrarrojo cercano, utilizando como fuente una lámpara incandescente, y los filtros y sensores adecuados. Aunque son ideas que necesitarían una mejor concreción.

Construcción de un sencillo espectrómetro de refracción a prisma

El siguiente paso ha sido utilizar los prismas huecos para construir un espectrómetro de refracción a la antigua usanza, es decir, con una rendija de entrada y un anteojo posterior, ya que los espectros generados a partir de un prisma son de un tamaño mucho más pequeño que los conseguidos con un filtro de difracción

La técnica constructiva ha sido la misma que en el anterior. Utilizando el cartón como paso previo para ver la viabilidad de llevarlo a cabo con materiales más sólidos, como el tubo de PVC o el latón.

Aspecto del primer espectrómetro de prisma construido

Como se observa el en diagrama (que puede ampliarse clicando sobre el mismo). Este espectrómetro esta formado por el tubo de entrada, equipado con la típica rendija de hojas de afeitar, solidario a un cilindro de cartón que contiene el prisma, aunque éste está sujeto al tapón, de manera que girando el tapón se puede cambiar el ángulo en el que incide la luz procedente de la rendija.

Un segundo tubo articulado, que a su vez está equipado con un anteojo de 8 aumentos (las lentes proceden del prismático desguazado), permite enfrentar los dos tubos a 0º o que ambos queden en un ángulo máximo de 60º, ajuste que va a elegirse dependiendo de las características de refracción del prisma que se utilice, y que más o menos coincidirán con los valores de refracción del láser azul obtenidos en el apartado anterior.

Espectro de la misma lámpara PL de bajo consumo

Espectro de una imagen blanca de un monitor LCD

En general, los primeros resultados obtenidos por este sistema no igualan a los del filtro de difracción. El tamaño del espectro es muy pequeño y le falta resolución, pero sólo son pruebas preliminares que sin duda podré mejorar.

Continuará...