Experimentando con la Ciencia

¿Qué es la luz?

La luz es un mensajero, que porta consigo una historia acerca de la forma de los objetos. W. L. Bragg, físico británico (1890-1971).

La luz es una forma de energía que tiene una doble naturaleza. Por una parte se comporta como una onda electromagnética. Por otra parte, tiene una naturaleza corpuscular, es decir, está formada por “partículas” de energía llamadas fotones. Esta doble naturaleza permite explicar los diferentes comportamientos físicos que presenta la luz. Así, la forma de propagación de la luz se explica mejor asumiendo una naturaleza ondulatoria. Por otro lado, fenómenos como la interacción entre la luz y la materia se explican asumiendo un comportamiento corpuscular.

En general, solemos identificar el término luz con una parte del conjunto de ondas electromagnéticas que es visible a nuestros ojos. Dentro de este conjunto, el rango que corresponde a la luz visible es muy pequeño, y se extiende desde una longitud de onda de aproximadamente 380 nanómetros hasta 780 nanómetros. El resto de ondas electromagnéticas son invisibles al ojo humano.

Experimentos de Luz

En este bloque de experimentos se observan varios fenómenos que pueden explicarse si se asume un comportamiento ondulatorio de la luz. Por otra parte, se muestra cómo se pueden construir unos espectroscopios caseros, cuyo principio de funcionamiento depende del comportamiento cuántico de la materia y de la luz.

Fenómenos ondulatorios

Son los efectos y propiedades exhibidas por las entidades físicas que se propagan en forma de onda:

 Reflexión: tiene lugar cuando una onda choca con la superficie de un medio que no puede ni absorberla ni transmitirla. Se cumple que el ángulo de incidencia y de reflexión son idénticos.

 

 

Refracción: es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Se debe a la diferencia en la velocidad de propagación de la onda en ambos medios. Cada medio está caracterizado por un índice de refracción.

 

Reflexión interna total: se produce cuando un rayo de luz que se encuentra en un medio de índice de refracción mayor que el del medio que pretende atravesar se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios, reflejándose completamente. Este fenómeno sólo tiene lugar a partir de un determinado ángulo de incidencia, llamado ángulo crítico.

 

Difracción: fenómeno debido a la desviación de la propagación rectilínea de un rayo de luz en un medio homogéneo, cuando atraviesa una abertura o pasa por puntos próximos a un objeto opaco. La superposición en un punto de los rayos así desviados da lugar a variaciones de la intensidad, produciendo máximos y mínimos cuya distribución depende de la forma de la abertura o del objeto opaco.

 

Interferencia: resultado de la superposición de dos o más ondas. Puede ser constructiva o destructiva.

Espectroscopia

 

El estudio detallado de la composición de las longitudes de onda de la luz emitida por diferentes fuentes se llama espectroscopia. blue solution absorbing-orange-photons-2D

 

Debido al comportamiento cuántico de la materia a nivel microscópico, la energía de los átomos y moléculas está cuantizada, es decir, sólo puede tomar determinados valores, también llamados niveles de energía. Por esta razón, los átomos y moléculas absorben o emiten la energía que corresponde a la diferencia entre dos niveles energéticos. Éstas absorciones o emisiones se producen en forma de fotones, de energía hv (h: constante de Planck; v: frecuencia de la radiación electromagnética). En espectroscopia se estudia esta absorción y emisión de radiación electromagnética por la materia. Dado que los espectros obtenidos son característicos de cada especie química, la espectroscopia es una de las principales técnicas de investigación de la materia a nivel atómico y molecular.

 

CD En este bloque de experimentos construimos unos espectroscopios con unos CDs que simulan el comportamiento de uno real.

Experimentos de Fenómenos ondulatorios

Experimento 1: Reflexión total interna de la luz (I)

Material
1 puntero láser
1 vaso
Leche (unas gotas)
Agua
En un vaso vierte agua y unas gotas de leche. Dirige la luz de un puntero láser desde una de las paredes del vaso, por debajo del nivel del agua, hacia arriba. Las gotas de leche en el vaso permiten observar el camino del haz a través del líquido. Con esta geometría se observa el fenómeno de reflexión total interna de un haz de luz. Este fenómeno se produce cuando el ángulo incidente del haz de luz que alcanza una superficie de separación de dos medios de diferentes índice de refracción supera un determinado valor, llamado ángulo crítico, y tiene sólo lugar al pasar el haz de un medio de mayor índice de refracción (como el agua) a un medio de menor índice de refracción (como el aire). En nuestro experimento se observa cómo el haz se refleja en la superficie del líquido y vuelve a introducirse dentro del mismo. Jugando con la orientación del haz, se observa que el ángulo que forma el haz incidente con la superficie del líquido es igual al que forma con esta superficie el haz reflejado. Este experimento se observa mejor en una habitación con poca o ninguna luz.

Experimento 2: Reflexión total interna de la luz (II)

Material
1 puntero láser
1 botella de agua de 1.5 litros
Agua
Recipiente prismático para recoger agua ("tupper"), con tapa blanca
Haz un orificio de 3 mm de diámetro en un lateral de una botella de agua de 1.5 litros, a 1 cm de su base (es conveniente hacerlo con un soldador eléctrico, para que el orificio no presente rebordes de plástico). Prepara un trozo de material adhesivo resistente que sirva para tapar el orificio. Rellena la botella con agua. Es conveniente cerrar la botella con su tapón, para que, si el agua tiende a salir por el orificio, se produzca una depresión dentro de la misma y el agua deje de salir. Esta botella debe colocarse en la parte superior de un soporte que sobresalga por encima de un recipiente para recoger agua, con el orificio orientado hacia este recipiente. Coloca un puntero láser en el extremo de la botella opuesto al orificio, a la misma altura que éste, apoyado en algo, para que al encender el puntero la luz pase a través del agujero. En el interior del recipiente para recoger agua coloca una placa de plástico blanco (puede ser la tapa del recipiente) formando unos 75º con el fondo. Quita el tapón de la botella, retira el material adhesivo para que el agua empiece a salir por el orificio y enciende el puntero láser. La luz del puntero sigue el camino del chorro de agua y un círculo de luz es visible en el punto en el que el agua golpea a la placa en el interior del recipiente. A medida que la cantidad de agua disminuye en la botella, el chorro de agua sale con menos presión y el punto de luz va desplazándose sobre la placa, siguiendo el camino del chorro de agua. La luz del puntero sufre una reflexión interna total dentro del chorro de agua y no sale de él. Éste es el principio de funcionamiento de la fibra óptica.


Experimento 3: Interferencia
Material
2 Transparencias con el documento "Interferencia" impreso
Coloca una transparencia sobre una mesa de color claro, preferentemente blanca (como alternativa, puedes colocar varios folios blancos sobre la mesa y colocar la transparencia sobre ellos). La transparencia representa una onda circular, procedente de una fuente puntual.
Coloca ahora la otra transparencia superpuesta a la primera, de tal forma que coincidan exactamente.
Desplaza ahora horizontalmente un centímetro la segunda transparencia sobre la primera, de tal forma que las “fuentes puntuales” queden alineadas pero separadas en dirección horizontal. Observarás que las ondas procedentes de las dos fuentes se interfieren y que hay zonas de color más oscuro y otras más claro, que surgen radialmente de la zona en la que se encuentran las fuentes. Este experimento permite observar el fenómeno de interferencia de ondas.
Si separas un poco más las fuentes observarás que el número de zonas sombreadas aumenta, mientras que el ángulo que separa cada una de estas zonas disminuye. Veremos la explicación y la aplicación práctica de este fenómeno en los experimentos de difracción.

Experimento 4: Difracción (I)

Material
1 puntero láser
Transparencia con el documento "Double-Slit Diffraction" impreso
1 pared blanca
Con un puntero láser, vamos a realizar el experimento de la doble rendija de Young, utilizando un patrón impreso en papel de transparencias (ver documento "Double-Slit Diffraction"). Sujeta el papel de transparencias y el láser a unos 2 metros de la pared. Desliza el puntero láser sobre el papel de transparencias, en sentido horizontal, hasta que el haz incida sobre la doble rendija y repite esta acción con cada una de las rendijas que aparecen en la transparencia. Observarás que existe una relación inversa entre la separación de los puntos de difracción y la distancia entre los centros de las rendijas: a medida que aumenta la distancia entre estos centros, los puntos de difracción aparecen cada vez más juntos. En los experimentos reales de difracción, la separación entre las posiciones de los puntos de difracción proporciona información acerca de la disposición y simetría del patrón periódico que los generó (como puede ser un cristal). El efecto se observa mejor en una habitación oscura.

Experimento 5: Difracción (II)
Material
1 puntero láser
1 plástico protector con forma de CD
1 CD-R virgen al que se le ha quitado la capa metálica
1 DVD+R virgen al que se le ha quitado la capa metálica
Para realizar el siguiente experimento es necesario familiarizarse un poco con la estructura interna de un CD-R y un DVD+R. Para ello, observamos unas imágenes obtenidas con un microscopio electrónico de un CD-R y un DVD+R. Tanto en uno como en otro caso, el dispositivo posee una capa de policarbonato, en la que se encuentra impresa una pista en espiral. La separación entre pistas en vueltas sucesivas de un CD es 1.6 µm y de un DVD, 0.74 µm. Estas líneas, que tienen una disposición periódica en el CD y DVD, pueden servir como rejilla para realizar un experimento de difracción.



cd virgen 5000 aumentos cd virgen 1000 aumentos

cd virgen 15000 aumentos cd virgen 1000 aumentos



cd virgen 15000 aumentos cd virgen 5000 aumentos

Puedes encontrar más información acerca de los CDs y DVDs en:
http://es.wikipedia.org/wiki/CD
http://es.wikipedia.org/wiki/DVD
http://electronics.howstuffworks.com/cd.htm/printable
http://electronics.howstuffworks.com/dvd2.htm
También es necesario que aprendas a quitar la capa metálica de un CD-R y de un DVD+R.
Eliminación de la capa metálica de un CD-R: con un cuchillo muy afilado, escalpelo o cuchilla de afeitar, haz un corte en la cara del CD-R que tiene la etiqueta, a 1 milímetro de la periferia, hasta formar un círculo cerrado de diámetro 1 milímetro inferior al del CD-R. El corte tiene que ser superficial, no es necesario que atraviese el CD. Enseguida verás que una fina capa de color metálico se desprende en las cercanías de la región en la que has hecho el corte. Haz lo mismo alrededor del agujero central del CD. Introduce la cuchilla lentamente por debajo de la capa metálica que comienza a levantarse en las proximidades del corte exterior. Observarás que la capa metálica se va despegando de la capa de policarbonato, con bastante facilidad.
Eliminación de la capa metálica de un DVD+R (4.7 GB, una cara, capa simple): estos discos están formados por dos capas de policarbonato, siendo la que no lleva la etiqueta la que contiene la espiral de datos. Trata de introducir con cuidado una cuchilla de afeitar o escalpelo entre estas dos capas. Haciendo palanca con la cuchilla, lograrás que las dos capas se separen fácilmente. En una de ellas se quedará pegada la capa metálica. Procura que sea en la que contiene la etiqueta, para que así la capa de la espiral quede completamente transparente.
Sitúate a unos 50 cm de una pared. Haz pasar la luz de un puntero láser a través de un plástico transparente y proyecta el haz transmitido en una pared. Observarás únicamente un punto correspondiente al haz de luz del puntero que atraviesa el plástico. A continuación repite la experiencia con un CD-R sin capa metálica y observarás un patrón de difracción. Como la distancia entre las líneas del CD es menor que la distancia entre las rendijas del experimento de la doble rendija que hemos hecho anteriormente, los puntos de difracción se encuentran más separados. Por eso, para ver mejor esos puntos, hemos tenido que colocarnos más cerca de la pared (a 2 metros, como en el experimento de la doble rendija, los puntos de difracción salen demasiado separados). Si se utiliza un DVD en lugar de un CD, será necesario acercar el DVD aún más a la pared (5 centímetros) para poder observar los puntos de difracción, ya que la separación entre las líneas del DVD es aún menor que en un CD.


Experimentos de Espectroscopia

Experimento 6: Espectroscopio de reflexión

 

Con una caja de cartulina y un CD-R virgen podemos construir un espectroscopio de reflexión. La espiral del CD, de la que ya hablamos en los experimentos de difracción, permite descomponer la luz que llega hasta el CD en sus diferentes longitudes de onda, que quedan separadas espacialmente, de tal forma que podemos distinguirlas fácilmente con nuestros ojos.

Espectro de luz solar

 

Espectro de una lámpara de incandescencia

 

Espectro de una lámpara fluorescente

Este espectroscopio es de reflexión porque la luz incidente se refleja sobre el CD. Debido a un fenómeno de difracción, cada componente en longitud de onda de la luz incidente emerge del CD a un ángulo diferente, lo que permite su separación espacial.

A continuación, puedes observar espectros obtenidos con diferentes tipos de luz, utilizando el espectroscopio de reflexión.

Experimento 7: Espectroscopio de transmisión

 

El espectroscopio de transmisión se construye a partir de un cilindro de cartón (como los que hay en el interior de un rollo de papel de cocina), un trozo de cartulina y un CD-R al que se le ha quitado la capa metálica. El principio de funcionamiento también se basa en la capacidad de los CDs de actuar como rejillas de difracción para la luz.

Se trata de un espectroscopio de transmisión porque la luz incidente atraviesa el CD. La espiral del CD hace que cada componente en longitud de onda de la luz incidente salga del CD en un ángulo distinto, lo que permite su separación en el espacio.

A continuación, puedes observar espectros obtenidos con diferentes tipos de luz, utilizando el espectroscopio de transmisión.

Espectro de luz solar

 

Espectro de una lámpara de incandescencia

 

Espectro de una lámpara fluorescente

 

Experimentos con el color

 

Reacción oscilante

 

Una reacción oscilante se caracteriza por presentar oscilaciones en concentración de alguna de las sustancias químicas que participan en ella, es decir, la concentración aumenta y disminuye de manera rítmica. Los periodos de las oscilaciones se mantienen constantes mientras las condiciones externas así se mantengan, por lo que pueden funcionar como verdaderos relojes químicos. Aunque las reacciones oscilantes son complejas y poco comunes, pueden utilizarse como modelo para estudiar los relojes biológicos que se observan con frecuencia en los procesos naturales (por ejemplo, el latido del corazón).

En el experimento que te proponemos, el color de una disolución cambia cíclicamente, dependiendo de la concentración de las diferentes especies químicas que se van formando mientras tiene lugar una reacción química conocida con el nombre de reacción de Briggs-Rauscher.

 

Reacción reloj

 

Una reacción reloj es una reacción química en la que un cambio de color súbito marca el final de la transformación de los reactivos en productos. El tiempo que transcurre hasta el final de la reacción depende de la concentración de las especies químicas implicadas en la misma.

Este tipo de reacciones son muy utilizadas en el estudio de la cinética de las reacciones químicas. Al igual que en el caso de las reacciones oscilantes, también intervienen en la regulación de muchos procesos biológicos.

En este experimento se utilizan productos comerciales que se pueden adquirir en una farmacia y en una droguería. Como instrumentos de medida utilizamos jeringuillas y cucharillas. Con esto queremos animarte a que repitas el experimento en tu casa. Jugando con las concentraciones de los reactivos que vamos a utilizar podrás observar cómo varía el tiempo que la reacción tarda en llegar a su punto final.

Tic-Tac-Toc, con vitamina C vamos a construir un reloj...

 

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