Luces de casa (y de las estrellas)

Nuestras casas están iluminadas con distintas fuentes de luz: la que entra por las ventanas y luces eléctricas de distintos tipos. No todas son iguales, su emisión es distinta y refleja los mecanismos que la han producido. Lo podemos comprobar fácilmente gracias a un instrumento doméstico verdaderamente simple: un CD.

Fotos de CDs enfocando distintas fuentes de luz
Figura 1. Fotos de CDs enfocando una ventana (A), un tubo fluorescente (B), una bombilla de bajo consumo (C) y un espectro de emisión a distintas temperaturas (D)

Los “compact disks” o CDs, tienen grabada la información en una finísima cinta de aluminio enrollada sobre si misma de tal forma que entre una pasada y la siguiente queda un espacio de tamaño comparable a la longitud de onda de la luz visible. Cuando esta luz de incide sobre tan peculiar superficie, la mayor parte de los colores no son reflejados, y solo el que cumple una determinada relación entre el ángulo de incidencia y la longitud de onda de ese color se puede reflejar. Aunque el mecanismo físico es distinto, el resultado es el mismo que se produce cuando la luz blanca atraviesa un prisma, que se desparrama en los distintos colores que la componen.

Armado con un CD y una cámara de fotos me he ido por la casa haciendo fotos de distintas fuentes de luz, y tras desechar un montón me he quedado con las que se muestran en la figura. En todos los casos se ve en un lado el reflejo de la fuente de luz en blanco, esa imagen la produce la reflexión en la superficie exterior del plástico de que está hecho el CD; en el otro lado se aprecian unas manchas de colores irisados, que son las que proceden de la descomposición de la luz en la rejilla de aluminio que hay bajo el plástico, en la que está grabada la música. En la foto marcada como A la luz provenía del sol, a través de una ventana; en la B de un tubo fluorescente y en la C de una bombilla de bajo consumo.

La mancha de color de la primera de las fotos muestra una sola vez la ventana, y va cambiando de color progresivamente, de los azules más cerca del centro a los rojos más en el borde. En cambio en las otras dos se ve la imagen de la fuente de luz cuatro veces, en cuatro colores distintos: azul, verde, amarillo y rojo. En el caso de la bombilla de bajo consumo (C) se ve más claramente que son imágenes de la misma bombilla, en el caso del fluorescente la geometría de las ranuras del CD da lugar a que se curven las imágenes y no es tan claro que sean imágenes del tubo (aunque lo son), en cambio se ven mejor los colores.

Si nos ponemos técnicos, el CD se ha convertido en un “espectroscopio”, que es una forma abreviada (en latín y un poco pedante) de decir “instrumento para observar espectros”. Aquí la palabra espectro no hace referencia a fantasmas ni nada parecido, sino a la cantidad de luz que hay de cada color, cosa que se suele representar gráficamente como intensidad (en vertical) frente a la longitud de onda (en horizontal). En el recuadro D de la figura, cada línea es un espectro, y están superpuestas a las franjas de colores del intervalo visible.

Espectros luminososo continuo y discontinuo
Tipos de espectros luminosos, continuo arriba y discontinuo abajo

Aunque nuestro instrumento, el CD y el ojo, no nos da valores precisos para hacer una representación cuantitativa del espectro, sí que podemos apreciar claramente la diferencia entre dos casos. La foto de la luz natura, la A, corresponde a un espectro continuo, hay luz de todos los colores y de cada uno al siguiente la diferencia no es muy grande. En cambio las fotos B y C representan espectros discontinuos, formados por picos relativamente estrechos correspondientes a los colores que se ven, siendo cero la intensidad de los demás colores. Cada uno de esos colores produce una imagen.

Estos dos tipo de espectro, continuo y discontinuo (ver figura 2), se corresponden con distintos mecanismos físicos de producción de la luz. La materia está compuesta por cargas eléctricas, protones y electrones en constante agitación. Esa agitación es mayor cuanto mayor sea la temperatura del objeto. Además las cargas en movimiento radian energía, por lo que todos los cuerpos emiten radiación. Esta radiación es de espectro continuo y depende de la temperatura. Los espectros correspondientes a distintas temperaturas son los que se muestran en la gráfica D de la figura 1. La luz del sol presenta un espectro correspondiente a radiación térmica de unos 5800K, la temperatura de su superficie.

En los tubos fluorescentes hay contenido un gas a baja presión que es golpeado por electrones que se emiten desde su extremo al encenderlo. Esos golpes hacen que los electrones de los átomos del gas se promuevan a niveles de energía mayores, retornando al poco tiempo al estado fundamental y emitiendo el exceso de energía en forma de un fotón, un cuanto de luz. La energía del fotón, que se corresponde con la longitud de onda (el color) de la radiación, está determinada por la diferencia de energía entre los niveles del electrón en el átomo. Eso dará lugar a espectros de emisión discontinuos, en los que solo habrá luz de colores correspondientes a transiciones entre niveles de los átomos que emiten. El proceso en el tubo es un poco más complicado, porque la luz que se emite dentro es ultravioleta, y es una capa de fósforo que lo recubre por dentro la que la transforma en visible, pero en lo que respecta al tipo de espectro esos detalles no nos importan. Las bombillas de bajo consumo funcionan como pequeños tubos fluorescentes enrollados, por lo que también dan lugar a emisiones de espectro discontinuo, como hemos podido comprobar en nuestro experimento casero.

Si midiésemos con un instrumento preciso el espectro de las luces fluorescentes podríamos ver que hay una pequeña parte de radiación térmica (a fin de cuentas el gas está a una determinada temperatura) y superpuestos sobre esta diversos picos que se corresponden con los niveles del mercurio, que es el elemento fundamental del gas en el interior de los fluorescentes. Las características del espectro de una fuente de luz dan mucha información sobre como es dicha fuente, información sobre su temperatura o los elementos que la componen. Es de esta forma que se puede saber mucho de objetos lejanos como estrellas y galaxias. A través del análisis de los espectros de la luz procedente de las estrellas es como se obtienen datos sobre su temperatura y su composición que, información que parece magia si no sabes de dónde la obtienen. Eso sí, utilizan equipos bastante más sofisticados que nuestro CD doméstico.


11 Comentarios

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Paco

¿Cinta de aluminio? ¿Enrollada sobre sí misma? Creo que no.

El efecto es el mismo, pero la realidad es más parecida a una “pintura” o “deposición” reflectante aplicada sobre una superficie que es lisa a excepción de los “pits” que son unas marcas que forman una fila, y esta fila de “pits” tiene forma de espiral.

Joaquin Sevilla

Gracias por el comentario. Es cierto que se fabrica así. El resultado es muy parecido a lo de la cinta enrollada, y me pareció que era explicación suficiente (sin mentir) para lo que pretendía la entrada.

BaldoBaldo

¿Cómo se produce la luz de las lámparas LED? Haciendo la prueba del CD no me queda tan claro si el espectro es continuo, discontinuo o ninguno de los anteriores y por lo que leo por ahí no veo claro lo de los dos picos en distintas longitudes de onda.

Joaquin Sevilla

Los leds de color (rojo, azul o verde) tienen una emisión cuyo espectro es un pico de ese color bastante estrecho. Los leds blancos sin embargo (que seguramente es a los que te refieres), son más complicados y tienen un espectro un poco raro, con un pico en el azul y luego una zona relativamente ancha con varios colores (lo puedes ver, por ejemplo aquí: http://www.signcomplex.com.pt/smd-led-g23.html)

Como dice Paco más abajo, si quieres profundizar un poco en el tema hay que trabajar un poquito más y construir un auténtico espectroscopio con el CD. Para ello no hay más que meterlo en una caja de cartón con dos aberturas, hay muchos ejemplos en internet, fotos, vídeos, etc.

Un saludo

Paco

Es fácil ver las rayas de los espectros de emisión de luces artificiales con un espectroscopio casero hecho con un trozo de un CD. Pero es necesario hacer entrar la luz por una rendija muy estrecha y hacer que incida en el trozo de CD (un sector de unos 30 grados es suficiente) pegado en el interior de una caja de cartón, en la base.
Existen montajes por ahí para construir el recortable. Lo de la rendija estrecha y la cámara oscura es importante. Las luces de bajo consumo fluorescentes contienen mercurio y en el espectro que se observa presenta las rayas del mercurio. Para que sea un espectrógrafo útil desde el punto de vista didáctico, no basta con observar vagos dibujos característicos según el tipo de luz, sino que el fenómeno de las líneas espectrales debe quedar patente. Véase http://goo.gl/6hM6N4

Joaquin Sevilla

Paco, tienes razón en que se puede hacer mucho mejor. Hay muchos sitios en internet donde dan instrucciones para hacer una cámara oscura con una entrada y salidas de forma que se vea bien el espectro. No pretendía utilidad didáctica, sino divulgativa, que alguien que lo lea “pierda” 5 minutos jugando con algo que tiene a mano y entienda algún concepto. Si le pica la curiosidad se puede continuar con las mejoras experimentales y la profundidad de la explicación. No se si es la mejor aproximación, pero a mi me gusta 😉

Paco

Quisiera hacer otro pequeño comentario.

Un espectro “Sí” es un fantasma, originalmente lo era y de ahí proviene la palabra. Un “fantasma” o “espectro” es una aparición, algo que “se ve” pero “no se puede tocar”. Cuando un prisma de cristal proyecta un arco iris, podemos ver los colores pero no tocar la pintura ni la materia, porque no hay pintura ni materia.

Con el tiempo se ha venido en usar la acepción científica de “espectro” como sinónimo de “abanico” o “gama de descomposición” porque los colores refractados lo son de la luz, pero cualquier visión incorpórea (como, por ejemplo, una proyección de cine o diapositivas) también era un espectro al principio.

Cordialmente,
Paco.

brakbrak

Joaquín : muy interesante . ” El proceso en el tubo es un poco más complicado, porque la luz que se emite dentro es ultravioleta” se me ocurre que esos fotones ultravioleta son absorbidos por esa capa de fósforo y luego reemitidos por esta en longitudes de onda mas larga y frecuencias menores , mejor dicho espectro visible … entendí bien ? si no corrígeme . gracias

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