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FUNDAMENTOS DE ESPECTROSCOPÍA EMPLEANDO PHYSICSSENSOR

Por: Diego Luis Aristizábal Ramírez, Roberto Restrepo Aguilar y Carlos Alberto Ramírez Martínez

Profesores asociados de la Facultad de Ciencias, Escuela de Física

Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín

Noviembre de 2012

PARTE A: CONCEPTOS BÁSICOS


El espectro Electromagnético

Figura 1: Espectro electromagnético



El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la radiación ultravioleta, la luz y la radiación infrarroja, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio, Figura 1. La luz es una muy pequeña porción de este espectro y comprende a las ondas electromagnéticas que están en el rango de longitudes de onda entre 380 nm y 750 nm, Tabla 1.

Espectro

Color

Longitud de onda

λ

(nm)




violeta

380–450

azul

450–495

verde

495–570

amarillo

570–590

naranja

590–620

rojo

620–750

Tabla 1: Longitudes de onda del visible

Fue Newton quien descubrió que la luz del Sol, al pasar por un prisma de vidrio, se descompone en luces con los colores del arco iris. La franja de luces de colores que se obtienen al separar la luz del Sol se denomina espectro solar.

Cualquier cuerpo puede emitir luz si está a una temperatura lo suficientemente alta, como ocurre con el filamento de una bombilla cuando es atravesada por una corriente eléctrica, Figura 2. Los sólidos y líquidos emiten un espectro fundamentalmente continuo y similar al del Sol (contiene la misma distribución de colores y solo cambia la intensidad de cada uno de ellos).

En cambio en estado gaseoso cada sustancia tiene un espectro característico que la identifica como si de un código de barras se tratara (una especie de “huella digital”), Figura 2 (observar que el espectro de emisión y el de absorción del mismo gas son complementarios). La espectrometría es una técnica que aprovecha esta circunstancia para conocer la composición de un material analizando la luz que desprende cuando se somete a incandescencia (es utilizada en astronomía para identificar los componentes de una estrella como el Sol).



Figura 2: Con una red de difracción se puede descomponer la luz (es decir, obtener los espectros). En esta ilustración el gas caliente y el gas frío corresponden a la misma sustancia.



Actividad 1:

  • Observar con una red de difracción el espectro de la luz emitida por una bombilla de tungsteno.

  • Observar con una red de difracción el espectro de la luz emitida por una lámpara de gas.

Teorías fundamentales de construcción del color

El espectro visible encierra tres amplias regiones de la radiación: rojo, verde y azul. Si se quita uno de estos aparece la mezcla de los otros dos: al quitar el rojo queda el cyan (verde+azul), al quitar el verde queda el magenta (rojo+azul) y al quitar el azul queda el amarillo (rojo+verde).



Los colores producidos por luces (en la pantalla de nuestro computador, en el cine, televisión, etc.) tienen como colores primarios, el rojo, el verde y el azul (RGB por sus nombres en inglés) cuya fusión de estos, crean y componen la luz blanca, por eso a esta mezcla se le denomina, síntesis aditiva, Figura 3A, y las mezclas parciales de estas luces dan origen a la mayoría de los colores del espectro visible.

Los colores sustractivos, son colores basados en la luz reflejada de los pigmentos aplicados a las superficies. Forman esta síntesis sustractiva, el color magenta, el cyan y el amarillo. Son los colores básicos de las tintas que se usan en la mayoría de los sistemas de impresión.

La mezcla de los tres colores primarios pigmento en teoría debería producir el negro, el color más oscuro y de menor cantidad de luz, por lo cual esta mezcla es conocida como síntesis sustractiva, Figura 3B. En la práctica el color así obtenido no es lo bastante intenso, motivo por el cual se le agrega negro pigmento conformándose el espacio de color CMYK (por sus nombres en inglés).


  1. SÍNTESIS ADITIVA DEL COLOR

  1. SÍNTESIS SUSTRACTIVA DEL COLOR

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/14/additivecolormixing.png/200px-additivecolormixing.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ac/subtractivecolormixing.png/300px-subtractivecolormixing.png

Figura 3: Teorías del color

Para afianzar más los conceptos sobre la teoría aditiva y sustractiva del color se recomienda acceder a las simulaciones sobre este tema de la aplicación SimulPhysics y que está disponible en el siguiente sitio Web,

http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/index.php/software-hardware/simulphysics

Para esto ejecutar la aplicación, entrar al menú de óptica y en éste al submenú de teoría del color, Figura 4. En la Figura 5 se ilustra la ventana de la simulación correspondiente a la teoría aditiva del color.



Figura 4: Acceso a la simulación sobre teoría aditiva del color.



Figura 5: Simulación que ilustra la teoría aditiva del color



Actividad 2:

  • Superponer las luces de tres lámparas de color Rojo, Verde y Azul

Actividad 3:

  • Observar con una lupa la pantalla del computador.

Actividad 4:

  • Mezclar plastilina de diferentes colores.

¿Qué es un filtro?

Cuando la luz atraviesa un filtro de color, éste absorbe (sustrae) todas las luces excepto la luz de su propio color, Figura 6A. Uno de un color complementario (amarillo, por ejemplo) sustrae a la luz el azul, pero deja pasar a los otros dos (rojo+verde=amarillo), Figura 6B, esta es la forma como obtienen sus colores los pigmentos (pinturas, objetos, etc.).







  1. Filtros de colores primarios

  1. Filtros de colores complementarios

Figura 6: Principio de los filtros de colores

Actividad 5:

  • Observar las imágenes 3D con el uso de filtros rojo y azul.

¿Qué es un pigmento?

Un pigmento es cualquier sustancia que absorba la luz. El color del pigmento está dado por la longitud de onda no absorbida (y por lo tanto reflejada). El pigmento negro absorbe todas las longitudes de onda que le llega. El pigmento blanco refleja prácticamente toda la energía que le llega. Los pigmentos tienen un espectro de absorción característico de cada uno de ellos.

La clorofila

La clorofila, el pigmento verde común a todas las células fotosintéticas, captura en su mayoría la luz en los entornos del azul (400–500 nm) y del rojo (600–700 nm), que corresponden a los extremos del espectro visible de la luz solar y refleja la luz de la parte media del espectro correspondiente al color verde (500–600 nm) dando a las plantas su color, Figura 7. La energía absorbida, la planta la utiliza para realizar el proceso de fotosíntesis.

Actividad 6:

  • Preparar disolución de clorofila.







  1. La solución de clorofila deja pasar las longitudes de onda correspondiente a los verdes

  1. Espectro de absorción de la clorofila

Figura 7

Para tener en cuenta

  • El color es una sensación, como el olfato.

  • El color no se observa hasta que la radiación interactúa con la materia siendo reflejada o transmitida por esta, para llegar al ojo donde es sensada e interpretada por el cerebro.

  • El color de un cuerpo depende de: la naturaleza de su superficie, de los colores vecinos y del tipo de luz que lo ilumina.

  • Un objeto sólo se ve con su propio color si se ilumina con luz blanca o con luz de su mismo color (en este caso, si está en un fondo blanco se podrá confundir con el fondo es decir, “desaparecería”).

  • El cosmos está lleno de radiación pero se ve oscuro. El cielo se ve azul en la Tierra debido al efecto de los gases de la atmósfera sobre la luz que esparcen.

  • Las materias colorantes procedentes de sustancias orgánicas, casi siempre de partes florales, jugo de la savia, etc., disueltas en aceite o agua son la base de las pinturas.

El Espectrómetro

El modo de funcionamiento de un espectrómetro es relativamente sencillo de entender y es, con seguridad, uno de los instrumentos científicos más importantes. La configuración de los espectrómetros actuales sigue siendo similar a los diseñados en el siglo XIX. La luz al atravesar un prisma (refracción), Figura 8A o una red de difracción, Figura 8B, es descompuesta en los diferentes componentes de color (cada onda de luz es desviada en un ángulo diferente de acuerdo a su longitud de onda: los prismas desvían más la luz azul que la roja, las redes de difracción lo hacen al contrario).



espectrómetro-goniómetro 1836

http://heurema.com/pf/pf18-espectroscopio/espectroscopio.jpg

  1. Espectrómetro de prisma (imagen tomada de http://www.kruess.com/)




  1. Espectrómetro de red de difracción (imagen tomada de http://heurema.com/PF18.htm)




Figura 8

Construcción de espectroscopio casero de red de difracción

Para realizar las prácticas propuestas en estas notas es necesario disponer del espectroscopio casero diseñado por docentes de la Escuela de Física de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, Figura 9. Los detalles para su construcción se pueden encontrar en la página oficial de PhysicsSensor:

http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/recursos/physicssensor/hardware/espectroscopio.pdf

Figura 9: Espectroscopio casero diseñado por docentes de la Escuela de Física de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Se ilustra completo y en sus partes en diferentes posiciones.

El espectroscopio tienen las siguientes partes:


  • Módulo de calibración: dos LEDS (rojo y azul), dos baterías, un diafragma de entrada.

  • Módulo de admisión de la luz: Tubo con rendija.

  • Módulo de difracción: lente y red de difracción de 500 líneas.mm-1.

Actividad 7:

  • Construir el espectroscopio de PhysicsSensor.


PARTE B: ANÁLISIS DE ESPECTROS


Analizador de espectros de PhysicsSensor

Lo primero que se debe hacer es obtener el software PhysicsSensor del siguiente sitio web,

http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/index.php/descargas

Tomando la foto del espectro obtenido con el uso del espectroscopio, y almacenándola en formato .png o .jpg, se puede usar el módulo “Analizador de Espectros” de PhysicsSensor para analizarlo. Este será el software a emplear para analizar espectros en las siguientes actividades propuestas en este documento. En la Figura 10 se ilustra la ventana principal de éste módulo.



Figura 10: Ventana de la aplicación para analizar espectros de PhysicsSensor


PARTE B1: ANÁLISIS DE ESPECTROS OBTENIDOS CON ESPECTROS-COPIOS DIFERENTES AL DE PHYSICSSENSOR


El Analizador de Espectros de PhysicsSensor necesita para calibrar los espectros el valor de las longitudes de onda correspondientes a dos líneas espectrales. De no disponer de ésta información no habrá forma de hacer un análisis correcto del espectro problema.

Ejercicio 1: Análisis del espectro de emisión de una lámpara de mercurio

Introducción

En este ejercicio se analizará el espectro de emisión de una lámpara de mercurio, obtenido con un espectroscopio profesional: la líneas espectral azul corresponde a y la línea verde corresponde a .



Figura 11: Espectro de lámpara de mercurio (imagen obtenida de http://www.ticfisquim.org/atomtic/)



Objetivo

Dado una imagen del espectro de mercurio, analizar éste mediante una gráfica de Intensidad Normalizada vs Longitud de Onda. El software a emplear es PhysicsSensor con su módulo Analizador de Espectros.

Nota: Intensidad Normalizada, significa que todas las intensidades se dividieron entre la intensidad máxima.

Procedimiento


  • Ejecutar el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor: hacer clic sobre el botón Analizador de Espectros de la ventana principal de PhysicsSensor. Se desplegará la ventana de la Figura 10.

  • Cargar la imagen del espectro: hacer clic en Archivos>Cargar la muestra, Figura 12. Se despliega el cuadro de diálogo para escoger el archivo de la imagen del espectro que se analizará, Figura 13.

Figura 12: Acción para desplegar el espectro




Figura 13: Cuadro de diálogo que permite seleccionar la imagen del espectro que se analizará.

  • Hacer doble clic sobre el archivo correspondiente al espectro de la lámpara de mercurio. En el panel izquierdo de la ventana de la aplicación aparecerá el espectro, Figura 14 (si el espectro se sale del panel, proceder a disminuir el tamaño de la imagen).

Figura 14: El espectro se despliega en el panel izquierdo.



  • Hacer clic en el botón Graficar. En el panel derecho se despliega la gráfica (Intensidad Normalizada vs Longitud de Onda en nm) del espectro del mercurio, sin embargo, ésta no está debidamente calibrada, Figura 15.

Figura 15: Gráfica de Intensidad Normalizada vs Longitud de Onda en nm para el espectro del mercurio (sin calibrar –observar que el pico del azul marca 401 nm, cuando debería marcar 433 nm)



  • Para calibrar la gráfica se utilizará la información conocida respecto a las líneas espectrales del azul y del verde. Ubicando el puntero del ratón sobre la línea azul del espectro (en el panel izquierdo) se puede observar que su posición en pixeles es igual a 37; de la misma forma se observa que la posición del verde es igual a 185 pixeles. Esta información se introduce en los correspondientes campos de texto ubicados en la parte inferior del lado izquierdo de la ventana: 37 en el primero y la correspondiente longitud de onda, 433 nm, en el tercero; 185 en el segundo y la correspondiente longitud de onda, 546 nm, en el cuarto, Figura 16. Hacer de nuevo clic en el botón Graficar: la gráfica desplegada está debidamente calibrada.

Si se desliza el puntero del ratón sobre los picos de la gráfica se puede obtener los valores correspondientes en longitud de onda: 490 nm (azul-verde), 576 nm (amarillo), 595 nm (naranja), 617 nm y 623 nm (doblete rojo).

Figura 16: Calibración de la gráfica correspondiente al espectro del mercurio



Ejercicio 2: Análisis del espectro de emisión de una lámpara fluorescente

Introducción

En este ejercicio se analizará el espectro de emisión de una lámpara fluorescente obtenido con un espectrómetro profesional, Figura 17.



Figura 17: Imagen del espectro de una lámpara de fluorescencia (imagen tomada de http://www.ticfisquim.org/atomtic/)



Idea del funcionamiento de una lámpara fluorescente:

Estas lámparas contienen en su interior gas inerte (argón o neón) y una pequeña cantidad de mercurio (Hg) líquido. La descarga eléctrica en el gas (originado por un arco eléctrico) genera un flujo de iones que al chocar con los átomos del vapor de mercurio los excitan, comenzando a emitir fotones de luz ultravioleta en su desexcitación. La capa fluorescente que recubre el tubo genera luz visible bajo la acción de esta luz ultravioleta.

En definitiva la presencia del mercurio se manifestará en la presencia de sus líneas espectrales en el espectro de la luz emitida por la lámpara fluorescente, por ejemplo las líneas espectrales azul y verde corresponden respectivamente a longitudes de onda iguales a 433 nm 546 nm.



Objetivo

Dado una imagen del espectro de la luz emitida por una lámpara fluorescente (lámoara de uso común en las casas, Figura 18), obtener las longitudes de onda de los picos más sobresalientes de su espectro. El software a emplear es PhysicsSensor con su módulo de Analizador de Espectros.



Figura 18: Lámparas fluorescentes



Procedimiento

  • Seguir los pasos del procedimiento del caso anterior hasta obtener el resultado ilustrado en la Figura 19.

Figura 19: Análisis del espectro de una lámpara fluorescente

Como líneas espectrales de referencia para la calibración se emplearon como en el caso anterior la azul y la verde del mercurio. Se encuentran picos en las siguientes longitudes de onda: 433 nm (azul), 486 nm (azul-verde), 546 nm (verde), 576 nm (amarillo).

PARTE B2: ANÁLISIS DE ESPECTROS OBTENIDOS CON EL ESPEC-TROSCOPIO DE PHYSICSSENSOR


Como el analizador de espectros de PhysicsSensor necesita para calibrar los espectros la información correspondiente a dos longitudes de onda de dos líneas espectrales, es necesario acoplarle al espectroscopio el módulo calibrador.

Ejercicio 1: CALIBRACIÓN DEL ESPECTROSCOPIO DE PHYSYCSSENSOR empleando el espectro de una lámpara fluorescente de una casa en la ciudad de Medellín.

Introducción

Para analizar espectros empleando el espectroscopio de PhysicsSensor es necesario utilizar el módulo calibrador de éste. El módulo toma como referencia las longitudes de onda centrales correspondientes a la luz emitida por los LED azul y rojo; sin embargo podría ser que no se disponga de la hoja técnica de éstos donde debería aparecer esta información.

Con base en lo anterior se deduce que será necesario obtener esta información por otro medio. En este ejercicio se propone hacerlo con base en el espectro de la lámpara fluorescente en la cual se conocen las longitudes de onda de varias de sus líneas espectrales, con la ventaja que estas lámparas son de uso común y se podrá disponer fácilmente de ellas.

En este ejercicio se procederá a tomar el espectro de una lámpara fluorescente (de una casa en la ciudad de Medellín) utilizando el espectroscopio de PhysicsSensor, con su módulo calibrador acoplado. Luego se realizará el análisis empleando el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor para obtener las longitudes de ondas centrales de la luz emitida por los LED rojo y azul.



Objetivo

Dada una foto del espectro de una lámpara fluorescente obtenido con el espectroscopio de PhysicsSensor, obtener las longitudes de onda centrales correspondientes a la luz emitida por los LED rojo y azul del módulo calibrador. El software a emplear es PhysicsSensor con su módulo de Analizador de Espectros.



Procedimiento

  • Enfrentar el espectroscopio (con su calibrador acoplado) a la lámpara fluorescente y ubicarse de tal forma que se observe el espectro de la luz emitida por la lámpara. Asegurarse que la luz de ambos LED del calibrador penetra por la rendija y que la ubicación de la red de difracción permite que se vean los espectros de orden +1 y -1 a lados opuestos de la rendija y alineados (en forma paralela) con ésta.

  • Ubicar la cámara fotográfica (podría ser la un celular) al frente de la red de difracción para proceder a tomar la foto del espectro. Se debe obtener una imagen como la ilustrada en la Figura 20.

Figura 20: Foto del espectro de lámpara fluorescente



  • Bajar la imagen a un PC y empleando un software para procesar imágenes recortar la porción de la imagen correspondiente al espectro, Figura 21. Organizarla para su debido análisis de tal forma que cumpla los siguientes requisitos, Figura 22:



    • Ancho del orden de los 350 pixeles (la idea es que al menos no sea mucho más anchas, ya que se dificultará su análisis con el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor).

    • Altura del orden de los 150 pixeles (la idea es que al menos no sea mucho más altas ya que se dificultará su análisis con el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor).

    • Orientación con los azules a la izquierda.

    • Líneas espectrales verticales (podría ser necesario realizar rotaciones sobre la imagen)

Figura 21: Porción de imagen recortada que contiene el espectro. Realmente contiene tres espectros: abajo los espectros correspondientes a la luz de los LED rojo y azul; arriba el espectro que corresponde al de la luz emitida por la lámpara fluorescente.



Figura 22: Imagen de los espectros organizada con los azules a la izquierda.

Para hacer las debidas transformaciones de la imagen (recortarla, escalarla y rotarla) se recomienda alguno de los siguientes software de imágenes:


    • Paint.NET (libre).

    • Gimp (libre).

Ya acondicionada la imagen del espectro y guardada en formato .jpg o .png se procede a cargarla con el módulo Analizador de Espectros de PhysicsSensor, Figura 23. En la figura se ilustra ya el espectro calibrado empleando la información de las líneas espectrales azul (longitud de onda igual a 433 nm) y verde (longitud de onda igual a 546 nm) correspondientes de la luz emitida por la lámpara fluorescente. Se observa que la gráfica presenta mucho rizado; esto se puede mejorar aplicando un filtro de suavizando a la gráfica: hacer clic en el menú Procesar> Suavizado de orden 3, Figura 24 y se obtiene la gráfica sin tanto rizado, Figura 25.

Figura 23: La gráfica presenta mucho rizado



Figura 24: Cómo acceder a los filtros de suavizado



Figura 25: Gráfica sin rizos.



  • Ya calibrado el espectro se procede a observar la información correspondientes a los picos de los espectros de la luz emitida por los LED azul y rojo. Al realizar la lectura en los picos, Figura 26, se obtiene valores de longitudes de onda iguales a 470 nm para el azul y 623 nm para el rojo. Se advierte que cada espectroscopio debe someterse a esta calibración antes de proceder a analizar espectros.

Figura 26: Izquierda, se ilustra el análisis del pico para el LED azul (470 nm) y derecha, para el LED rojo (623 nm).



Ejercicio 2: Análisis del espectro de emisión de una lámpara de sodio de alta presión obtenido con el espectroscopio de PhysicsSensor

Introducción

En este ejercicio se procederá a tomar el espectro de una lámpara de sodio de alta presión utilizando el espectroscopio de PhysicsSensor. Luego se realizará su análisis empleando el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor.



Objetivo

Dada una foto del espectro de una lámpara de sodio de alta presión obtenido con el espectroscopio de PhysicsSensor, analizar éste. El software a emplear es PhysicsSensor con su módulo de Analizador de Espectros.



Procedimiento

  • Enfrentar el espectroscopio (con su calibrador acoplado) a la lámpara de sodio y ubicarse de tal forma que se observe el espectro de la luz emitida por la lámpara.

  • Ubicar la cámara fotográfica (podría ser la un celular) al frente de la red de difracción para proceder a tomar la foto del espectro.

  • Procesar esta foto con un software de imágenes hasta obtener una imagen como la de la Figura 27.

Figura 27: Espectro de la luz del LED azul (arriba, izquierda); espectro de la luz del LED rojo (arriba, derecha); espectro de la lámpara de sodio (abajo)



  • Cargar la imagen del espectro con el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor. Calibrar como se ilustró en los ejercicios anteriores pero empleando la ubicación de los picos de los espectros ya calibrados de los LED azul (470 nm) y rojo (623 nm). Suavizar la gráfica: se obtiene un resultado como el ilustrado en la Figura 28.

Figura 28: Espectro y su gráfica de la luz emitida por una lámpara de sodio de alta presión.

Se observan picos en: 464 nm (real en 467 nm, azul), 495 nm (real 498 nm, azul-verde) 565 nm (real en 569 nm, verde), 590 nm (real en 590 nm, amarillo).

Ejercicio 3: Análisis del espectro de emisión del sodio obtenido con el espectroscopio de PhysicsSensor

Introducción

En este ejercicio se procederá a tomar el espectro de emisión del sodio empleando el espectroscopio de PhysicsSensor. Luego se realizará el análisis de éste espectro empleando el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor.



Objetivo

Dada una foto del espectro de emisión del sodio obtenido con el espectroscopio de PhysicsSensor, analizar éste. El software a emplear es PhysicsSensor con su módulo de Analizador de Espectros.



Procedimiento

  • Calibrar los LED del espectroscopio empleando el método de la lámpara fluorescente expuesto en el ejercicio 1. Se usó un espectroscopio cuyo resultado fue el siguiente:



    • Longitud onda central del LED rojo: 644 nm.

    • Longitud de onda del LED azul: 466 nm.



  • Preparar una solución de NaCl (sal común) con alcohol antiséptico. Vaciar la solución en una copa de vidrio (o algún recipiente que no se deteriore con el fuego), encender la solución (la ubicación debe ser segura para evitar un posible incendio y además retirarse a una distancia del fuego que evite posibles quemaduras) y esperar a que se obtenga una llama amarilla (¡Tener mucho cuidado: los estudiantes no deben hacer esto sin presencia del profesor!), Figura 29.

Figura 29: Llama de sodio obtenida con una solución saturada de sal común y alcoho antiséptico



  • Enfrentar el espectroscopio (con su calibrador acoplado) a la luz emitida por la llama y ubicarse de tal forma que se observe el espectro de ésta.

  • Ubicar la cámara fotográfica (podría ser la un celular) al frente de la red de difracción para proceder a tomar la foto del espectro.

  • Procesar esta foto con un software de imágenes hasta obtener una imagen como la de la Figura 30.

Figura 30: Espectro de la luz del LED azul (arriba, izquierda); espectro de la luz del LED rojo (arriba, derecha); espectro de la llama de sodio (abajo)



  • Cargar la imagen del espectro con el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor. Calibrar como se ilustró en los ejercicios anteriores pero empleando la ubicación de los picos de los espectros ya calibrados de los LED azul (466 nm) y rojo (644 nm). Suavizar la gráfica: se obtiene un resultado como el ilustrado en la Figura 31.

Figura 31: Espectro y su gráfica de la luz emitida por la llama de sodio: es una línea espectral amarilla.

Se observa un pico en 589 nm (real en 589,6 nm, amarillo).
Ejercicio 4: Análisis del espectro de la luz solar obtenido con el espectroscopio de PhysicsSensor

Introducción

En este ejercicio se procederá a tomar el espectro de la luz solar empleando el espectroscopio de PhysicsSensor. Luego se realizará el análisis de éste espectro empleando el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor.



Objetivo

Dada una foto del espectro de la luz solar obtenido con el espectroscopio de PhysicsSensor, analizar éste. El software a emplear es PhysicsSensor con su módulo de Analizador de Espectros.



Procedimiento

  • Calibrar los LED del espectroscopio empleando el método de la lámpara fluorescente expuesto en el ejercicio 1. Se usó un espectroscopio cuyo resultado fue el siguiente:



    • Longitud onda central del LED rojo: 643 nm.

    • Longitud de onda del LED azul: 459 nm.



  • Enfrentar el espectroscopio (con su calibrador acoplado) al cielo (ojo: no mirar directamente el sol) de tal forma que se observe el espectro de la luz solar.

  • Ubicar la cámara fotográfica (podría ser la un celular) al frente de la red de difracción para proceder a tomar la foto del espectro.

  • Procesar esta foto con un software de imágenes hasta obtener una imagen como la de la Figura 32.

Figura 32: Espectro de la luz del LED azul (arriba es más nítido, izquierda); espectro de la luz del LED rojo (abajo es más nítido, derecha); espectro de la luz solar (centro) tomado a las 3:30 pm en la ciudad de Medellín en un día nublado.



  • Cargar la imagen del espectro con el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor. Calibrar como se ilustró en los ejercicios anteriores pero empleando la ubicación de los picos de los espectros ya calibrados de los LED azul (459 nm) y rojo (643 nm). Suavizar la gráfica: se obtiene un resultado como el ilustrado en la Figura 33.

Figura 33: Espectro y su gráfica de la luz solar por la llama de sodio: es una línea espectral amarilla.

Se observa un pico en 575 nm (azul-verde) y un pico en 599 nm (amarillo). Estos picos son reportados en la literatura sobre el tema.
Ejercicio 5: Comparación del espectro de una lámpara fluorescente de una casa en la ciudad de Medellín obtenido con un espectroscopio comercial (para aficionados) y el espectroscopio de PhysicsSensor

Introducción

En este ejercicio se procederá a tomar el espectro de una lámpara fluorescente (de una casa en la ciudad de Medellín) utilizando primero un espectroscopio comercial (para aficionados) y luego el espectroscopio de PhysicsSensor. Luego se realizará el análisis de estos espectros empleando el software Analizador de Espectros de PhysicsSensor. Por último se procederá a comparar los resultados.



Objetivo

Dado las fotos de los espectros de una lámpara fluorescente obtenidos con dos espectroscopios diferentes comparar los resultados empleando PhysicsSensor con su módulo de Analizador de Espectros.



Procedimiento

  • Obtener las fotos de los espectros obtenidos con ambos espectroscopios.

  • Empleando un software de imágenes proceder a transformar las imágenes de éstos espectros para darles la forma apropiada para ser analizados por el software de PhysicsSensor.

Los resultados obtenidos se ilustran en la Figura 34. Se observa que las diferencias son pocas. En la tabla 2 se dan algunos detalles de los espectroscopios usados.




Espectroscopio Comercial

Especttroscopio de PhysicsSensor

Precio

80 US

3 US

Adquisición

Por importación

Fabricación casera

Tecnología

De prisma

De red de difracción

Tabla 2: Algunos detalles sobre los espectroscopios usados

Figura 34: Resultados con espectroscopio comercial (arriba) y con espectroscopio de PhysicsSensor (abajo)


Ejercicios adicionales




  • Analizar el espectro de una bombilla de tungsteno.

  • Analizar el espectro de absorción de la clorofila. Usar la disolución de clorofila preparada en la actividad 6.

REFERENCIAS

  • PhysicsSensor, Escuela de Física de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín [en línea: http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/, noviembre de 2012.

  • Teoría del Color [en línea: http://coloryteoria.blogspot.com/], mayo de 2012.

  • Molecular Expressions Optical Microscopy Primer [en línea: http://micro.magnet.fsu.edu/primer/index.html], mayo de 2012.

  • Seminario de Física y Química [en línea: http://www.ticfisquim.org/], mayo de 2012.

  • Hombros de Gigantes [en línea: http://hombrosdegigantes.blogspot.com/], mayo de 2012.

FIN

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