Experimentos y ciencia (Espacio de Cesar): Diez pruebas con el banco óptico didáctico

El experimento de Young

Este científico ingles realizó a principios del siglo XIX un interesante experimento que luego fue fundamental para las bases de la mecánica cuántica. También se lo llama de la doble rendija y explica el comportamiento ondulatorio de la luz ya que el mismo demuestra patrones de interferencia propia de los fenómenos de ondas.

La difracción es un fenómeno de ondas, es ese curvado de la onda que se produce cuando esta choca con un obstáculo, este fenómeno es la causa de las interferencias

Bien, para ver los patrones de interferencia con nuestro banco óptico utilizaremos como modulo de iluminación un láser, en este experimento vamos a prescindir de la lente convergente y del colimador, usaremos la red de difracción hecha con un trozo de cd que tiene 625 líneas por mm

El montaje es el siguiente:

Podemos ver otros ordenes de interferencia, el segundo y a veces el tercero sacando la pantalla del banco y proyectando sobre una pared blanca a 0,60-0,80 mts de distancia.

Obtención de un espectro continuo

Todos hemos visto en algún momento el arco iris o los colores del mismo cuando la luz atraviesa algún cuerpo con forma de prisma. La luz blanca en realidad es una luz compuesta por siete colores distintos que son visibles cuando la luz entra en un medio distinto al aire y cambia su velocidad, se refracta. Nosotros usaremos el fenómeno de la difracción para ver este espectro

La fuente será una lámpara de linterna con filamento (no las de leds), acá deberemos agregar un concentrador del rayo que sale del colimador, es decir tendremos que agregar la lente convergente y el colimador

Todos estos experimentos requieren que el lugar donde hacemos las pruebas este oscuro

Obtención de un espectro discontinuo

Cuando calentamos un elemento químico sus átomos absorben energía que es liberada al enfriarse emitiendo luz, si esa luz es procesada en un prisma o una red de difracción ya no obtenemos el espectro continuo como en el caso anterior sino uno que presenta líneas bien definidas, característica de cada elemento, algo así como un código de barras individual para cada elemento, esos espectros se llaman discontinuos o de lineas.

Para ver esta clase de espectros vienen muy bien las lámparas de bajo consumo y tubos fluorescentes donde hay gases ionizados.

El montaje será el mismo que usamos para los espectros continuos solo que vamos a cambiar el foco de linterna por una lámpara de bajo consumo, yo logré conseguir una bastante pequeña que puede introducirse en el tubo que forma el modulo de iluminación del banco

Un truco, para que las fotos muestren con mayor detalle las distintas líneas espectrales, conviene aumentar el tiempo de exposición en la cámara, si queremos hacer un trabajo mas meticuloso con los espectros obtenidos recomiendo la lectura del siguiente artículo de Alberto Villalobos, un compañero experto en espectroscopia que indica como analizar los espectros con programas de acceso libre

http://hombrosdegigantes.blogspot.com/2008/04/digitalizacin-y-anlisis-de-espectros.html

Medición de la longitud de onda de una luz monocromática

A mi modo de ver esta es una de las mejores utilidades de este sencillo banco, podemos medir con bastante reproductibilidad longitudes de onda de un láser o de unos leds de colores, picos en espectros discontinuos etc. Para esto vamos a usar las reglas que están en el soporte y en la pantalla.

Usaremos el puntero láser, pero se pueden realizar como dije antes con otras fuentes monocromas. Armamos el banco como esta en la figura, con el láser sin la lente convergente y sin el colimador, se mide la distancia de la red de difracción a la pantalla, marcada como B en el dibujo, después se enciende el láser y se mide la distancia entre el orden principal (el punto del centro de la pantalla) y uno de los ordenes primarios, cualquiera el izquierdo o el derecho, si todo esta bien alineado ambas medidas deben ser iguales, en el dibujo esta marcado como A.

Con estos dos datos trabajaremos para encontrar el ángulo θ

El ángulo θ= Arctg A/B

Luego Sen θ = n λ / 1 / Nro de lineas red

Donde

A= Distancia en cm al primer orden de interferencia

B = Distancia en cm desde la pantalla a la red de difracción

n= numero de orden de la interferencia

λ = Longitud de onda en cm

Pongo un ejemplo práctico con medidas tomadas en el banco:

A= 7.2 cm

B= 15.0 cm

n= 1

Nro de lineas de la red= 625 (por norma los CD tienen ese numero de líneas por mm)

Bien θ= Arctg 7.2/15.0 = 25,64 °

Resultado:

λ= 0.000692 cm = 692 nm

Según el fabricante, el puntero tiene una frecuencia entre 630 y 680 nm, tomando la media 655, el resultado tiene una desviación en + de un

5 % que para la precariedad no me parece tan mal.

Medición de la constante de una red de difracción desconocida

Con las mismas fórmulas usadas antes vamos a medir la cantidad de líneas de una red de difracción desconocida, la que usaré no es tan desconocida porque es un trozo de DVD, pero vale hacer el cálculo.

De la misma forma que antes con el láser sin colimador y sin lente concentradora, cambiamos la red de 625 l/mm por la desconocida y hacemos igual que antes, medimos A y B, veremos que hay que acercar bastante la red para ver los primeros órdenes, cuando ambos órdenes estén equidistantes del orden principal tomar la medida.

En mi caso las medidas fueron las siguientes:

A= 19,1 cm

B= 10,0 cm

Resultado:

Nro de líneas= Sen Ө/ λ= 1280 líneas/ mm

En la realidad los DVD tienen una separación entre líneas por norma de 0.74 um

Es decir unas 1351 líneas/mm que se parecen mucho al valor experimental que tiene en - alrededor del 5%

Midiendo el grosor de un cabello

Medir objetos muy finos es un problema, sin embargo utilizando el rayo láser y los efectos de interferencia podemos hacerlo de una forma muy sencilla.

Para esta prueba solo utilizamos el puntero y el soporte para la red de difracción, en el colocaremos un trozo de cartón con una ventana en el que pegaremos con cinta scoch el cabello a medir, tenemos que sacar la pantalla y proyectar a una distancia de unos 2 metros sobre la pared, el láser debe impactar con el objeto y permanecer fijo, eso nos proyectara un patrón de interferencias sobre la pared como el de la foto

Para calcular el grosor del cabello usamos la siguiente fórmula:

D= 2 n λ A / B

D = medida del objeto

n = Numero de orden de la interferencia

λ = Longitud de onda del láser

A = distancia desde la pantalla hasta el objeto a medir

B = distancia entre los centros de los primeros órdenes de interferencia.

En la práctica he medido un cabello, obtuve los siguientes datos:

n = 1

λ = 0. 000692 cm (la medición experimental de mi puntero láser)

A = 182.5 cm

B = 4.5 cm

Resultado:

D= 0.056 cm

A pesar de que los datos que encontré por Internet indican que la media de un cabello humano es de 0, 1cm, para corroborar mi dato hice la comparación del mismo cabello con la cuadrícula de una cámara de Neubauer, (ventajas de ser bioquímico je je) este aparato se usaba y alguno por ahí lo ha de usar todavía, para contar glóbulos rojos y blancos, es una placa de vidrio que tiene dibujada una fina retícula , los cuadraditos de menor tamaño miden 0,05 cm por lado, así es que puse al microscopio el cabello sobre la retícula de la cámara de Neubauer y pude constatar que era apenas mas ancho que los cuadrados mas chicos. De paso, medí por el mismo sistema que medí el cabello, la separación de las líneas de la cámara cuentaglóbulos y me dio como resultado 0,052 cm, un muy estimulante dato.

He probado medir el grosor de una telaraña, pero no he podido con este método

Esta es la retícula de Neubauer y esta la cámara

Filtros ópticos

Los filtros ópticos son materiales transparentes que tienen la propiedad de absorber ciertas longitudes de onda y dejar pasar libremente otras.

Esta prueba es interesante para ver que longitud de onda deja pasar cada filtro, midiéndola como hicimos en la prueba numero 4 con el dato del primer orden de interferencia.

Son muy conocidos los filtros de colores, en general atenúan todo el espectro menos la luz del color del filtro, hay otros filtros que atenúan todo el espectro como los que se usan en lentes para sol, se llaman filtros de densidad neutra.

Los filtros que usaremos son papeles de celofán de distintos colores, si queremos hacer un trabajo para mostrar podemos montar el celofán en un marco tipo diapositiva como el de las redes de difracción y agregar un nuevo carrito con otro soporte al banco, entre la red y la lente convergente.

Usando la luz blanca, veremos como aparece solo una banda de color en el espectro

Por el método usado en la prueba 4 podemos medir la longitud de onda λ, en este caso del celofán rojo el centro de la banda de interferencia tiene una longitud de onda de 633 nm que fue corroborada con un espectrofotómetro comercial (otra vez la ventaja de ser bioquímico)

Una interesante prueba se puede realizar viendo la capacidad de filtrar los rayos ultravioletas de los anteojos para sol, para ello usaremos como fuente de luz los diodos UV e interpondremos el cristal del anteojo. Hay lentes de sol de muy mala calidad para ver la atenuación debe ser uno de óptica, no esos chinos baratos que venden en la palya

Figuras de interferencia muy llamativas

Con un poco de imaginación podemos obtener figuras de interferencia muy bonitas usando el puntero láser, es conocido que con los cd se forman figuras, agregaré un par de ellas con otros objetos.

Con dos cabellos cruzados por ejemplo:

Este patrón se forma con un tejido de trama muy fina, lo saque cuando abrí un tubo de rayos catódicos de una TV , esta inmediatamente pegado al vidrio que hace de pantalla

Retículo de Neubauer

Viendo los rayos que no se ven

En la siguiente imagen tomada de la wiki podemos ver el espectro visible

Lo que el ojo humano ve, va desde los 400 a los 750nm, por debajo de los 400 se encuentra una radiación llamada ultravioleta UV y por encima de los 750 están los infrarrojos IR

Estos dos tipos de radiaciones no son visibles al ojo pero vamos a visualizaros usando unos trucos y de esa forma podremos calcular sus longitudes de onda.

Empezaremos por los UV, esta banda de radiación esta dividida en 3, UVA, UVB y UVC

UVA 400 – 320 nm

UVB 320 – 280 nm

UVC 280 – 200 nm

Tanto UVB como UVC requieren filtros especiales para poder limitar las radiaciones mas largas y son lámparas más caras y difíciles de conseguir, la más conocida es la luz negra de UVA que es con lo que trabajaremos.

Esta radiación tiene la particularidad que cuando impacta con determinados materiales refleja en rango de luz visible, dando una luminiscencia. En los boliches bailables se usa la luz negra y vemos que hay muchos materiales que son sensibles a ella. Usaremos para detectarlos una pantalla que no es más que un trozo de papel blanco de una hoja A4 al que pintaremos con un marcador flúor una banda, el propio papel blanco es sensible da fluorescencia azul y el flúor en este caso amarilla.

La fuente que usaremos serán los diodos leds de UV que he mostrado en detalle en la construcción del banco.

Como se puede ver en la fotografía son muy notables los órdenes de interferencia de hecho mucho más cerca del orden principal debido a que son de ondas mas cortas. Se puede calcular la longitud de onda, en mi caso dio como resultado el pico principal dentro del rango del visible en 423 nm.

Los infrarrojos

La fuente para estos rayos la podemos sacar de una grabadora de CD en desuso o rota, tienen unos led IR de hasta 200mw muy potentes, y muy peligrosos, hay que ser muy precavidos con este tipo de láser porque no se ve y puede quemarte un ojo en unos segundos. Para armar el láser con ese diodo es preciso hacer un sencillo montaje que podes encontrar aquí: http://www.felesmagus.com/pages/lasers-howto.html

Para “ver” estos rayos necesitaremos de una pantalla especial de cristal líquido sensible a la temperatura, venían unos termómetros para bebes de este material

Lamentablemente no puedo poner fotos de esto porque no dispongo de la pantalla pero el PFDC de www.cientificosaficionados.com ha hecho las pruebas y funciona, con un láser de suficiente potencia se podrán ver los primeros ordenes de interferencia y se podrá medir la longitud de onda del mismo

Marche un proyector ya….

Con el mismo banco si quitamos el colimador, poniendo la luz blanca de linterna he interponiendo el soporte para la red entre la fuente de luz y la lente convergente tenemos armado el proyector, los montajes de los objetos que deseamos ver aumentados los ponemos en una especie de diapositiva hecha con acetato transparente pegados con cinta, luego se colocan en el soporte que antes usamos en las redes de difracción.