Source: http://www.astro-digital.com/10/espectros.html
Timestamp: 2018-10-20 02:05:27+00:00

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Francisco A. Violat Bordonau | Asesores Astronómicos Cacereños
Es posible iniciarse en el tema de espectroscopía (si sólo estudiamos visualmente los espectros) o espectrografía (si los capturamos y mostramos en alguna superficie, como en una fotografía o un monitor) sin mucho esfuerzo ni tampoco grandes gastos: no se van a lograr resultados muy profesionales pero sí didácticos, sobre todo si lo que buscamos en iniciarnos (e iniciar a los demás) en este fascinante, divertido e interesante campo a medio camino de la Física Atómica y la Química.
En el número 124 (marzo de 1995) de la conocida revista Tribuna de Astronomía publiqué mi primer trabajo sobre espectrografía, resultado de intensas investigaciones y observaciones desde mediados de 1994; al adquirir recientemente una webcam encontré el momento de mejorar, ampliar, actualizar estos trabajos y presentar nuevos resultados más avanzados y espectaculares.
Para ello es fundamental emplear un espectroscopio que puede ser comprado (precio mínimo: 26 000 pesetas; los modelos más sencillos a base de prismas de la marca Carl Zeiss) o construyendo uno con un prisma de vidrio óptico (no lo aconsejo por la baja calidad de los resultados, aunque si se dispone de un prisma se puede intentar) o con una red de difracción; en el mercado es posible encontrar redes baratas bajo la apariencia de filtros fotográficos de efectos especiales: un buen ejemplo es el filtro francés Cosmos B40, que se suele emplear bastante en la fotografía de bodas o comuniones pues ofrece una imagen del sujeto con pequeños espectros (arco iris) en las luces brillantes capturadas en la toma; este filtro fotográfico (que cuesta unas 4000 pesetas) es realmente una red de difracción con un bajo número de líneas por mm, que permite tanto fotografiar escenas cotidianas (sin gran merma de su calidad) como descomponer la luz de cualquier fuente luminosa ofreciendo un pequeño espectro de primer orden (estrecho aunque luminoso), un espectro de segundo orden (mayor aunque más débil) y en fuentes de luz brillantes un espectro de tercer orden aún más débil aunque con amplitud y resolución algo mayor.
Para los no iniciados, una red de difracción es una lámina de vidrio (o plástico en los modelos más asequibles) en la cual se han grabado con técnicas especiales (punta de diamante) gran número de líneas paraleleas: cuando un haz de luz lo atraviesa una parte de ella no es afectada (orden 0), otra parte se dispersa sólo un poco (primer orden), otra parte se desvía bastante más (segundo orden), etc... de este modo aparece una imagen de la fuente luminosa original (orden 0), un espectro estrecho luminoso (orden 1), otro más ancho pero menos luminoso (orden 2), etc... Por lo general en los modelos sencillos el espectro de orden 3 se empieza a solapar con el de orden 2, de modo que pese a ser más amplio es ya menos válido en la zona violeta, que es la que se solapa con la roja del espectro de orden inferior. También es factible sustituir la red de difracción por un CD-ROM: en este caso basta mirar en él la luz reflejada por la fuente luminosa para que apreciemos un espectro bastante rudimentario, pero que todavía nos puede dar una ligera idea de las líneas o bandas que contiene; si el espectro obtenido no es demasiado nítido lo que podemos hacer es tapar la fuente luminosa con una cartulina oscura dejando escapar sólo una fina rendija de luz: ahora las líneas aparecen más nítidas. Con este sencillo y barato dispositivo (cualquier CD-ROM sirve: tanto uno virgen como uno ya escrito) podemos comprobar que con algo de maña y cuidado llegamos a resolver el doblete amarillo del vapor de mercurio en un tubo fluorescente: ambas líneas están separadas por sólo 2,1 nanómetros.
«Una red de difracción es una lámina de vidrio o plástico en la cual se han grabado gran número de líneas paraleleas»
Cualquier fuente de luz (por ejemplo una lámpara de bajo consumo) vista a través del filtro ofrece varias imágenes coloreadas que pueden ser adyacentes sin solución de continuidad (espectro contínuo: por ejemplo, la llama de una vela) o imágenes separadas por espacios vacíos en los cuales no hay emisión de luz: corresponden a cada una de las líneas y bandas de emisión de la fuente de luz (el que se produzcan líneas o bandas depende de si los que se excitan para producir luz son átomos -líneas- o moléculas -bandas- o incluso si la presión del gas es alta, pues en este caso las líneas se enchanchan hasta parecer bandas). Si a través de la red observamos una lámpara incandescente sólo veremos un espectro contínuo homogéneo (es decir, todos los colores del arco iris sin que falte ninguno ni exista discontinuidad entre ellos): es el espectro contínuo de emisión típico de las fuentes a altas temperaturas (llama de una vela, el Sol, cualquier estrella o una bombilla incandescente común y corriente). Sin embargo un fluorescente típico -que contiene vapor de mercurio- presenta además del espectro contínuo (que es debido al fósforo que lo recubre interiormente) cuatro finas líneas de emisión de no demasiada intensidad (violeta, verde y dos amarillas muy juntas), de modo que el conjunto nos proporciona una luz fría de color luz blanca.
El espectrógrafo.
Para construir un espectrógrafo es preciso saber de qué partes está formado y cómo funciona cada una de ellas; vamos a verlo detenidamente.
En primer lugar tenemos la rendija, que tiene como misión mostrar nítidamente las líneas: de lo contrario éstas son borrones de color; lo mismo ocurre si la rendija es más ancha de 1-2 mm; puede hacerse con el filo de dos cuchillas nuevas encaradas dejando entre ellas una separación igual o inferior a 1 mm: cuanto más juntas estén más limpio (pero más débil, dado que penetrará menos luz) será el espectro obtenido y por el contrario cuanto más ancha más borrosas serán las líneas y bandas obtenidas. También puede fabricarse tan grande como se desee recortándola del fino metal -aluminio- de una lata de refrescos cualquiera: en este caso podremos emplear redes de difracción tan amplias como encontremos en el mercado, y no nos vemos obligados a fabricar rendijas de sólo 4 cm de longitud -la dimensión típica de una cuchilla de afeitar-.
«El elemento dispersor de la luz puede ser un prisma óptico o una red de difracción»
El elemento dispersor de la luz puede ser un prisma óptico de buena calidad (que proporciona espectros de inferior calidad, salvo que utilicemos dos o tres de ellos unidos) o una red de difracción como el citado filtro fotográfico Cosmos B40 o incluso una auténtica red comercial: en el mercado podemos adquirir una de 570 líneas/mm por unas 5000 pesetas en la empresa Phywe España, de Madrid (Teléfono +34 91 613.51.55, Fax: +34 91 613.50.62); a simple vista parece una simple diapositiva fotográfica prácticamente transparente aunque al mirar a través de ella cualquier fuente de luz -por ejemplo una lámpara de vapor de mercurio- nos ofrece un espectro rudimentario: aparecen así varias imágenes coloreadas adyacentes de la lámpara, cada una de las cuales corresponde a una línea simple, un doblete o incluso bandas de emisión; moviendo un poco el ojo podemos apreciar sin problemas el espectro de segundo orden.
Podemos construir un sencillo espectrógrafo con una caja de cartón o madera contrachapada de 30-40 mm de anchura, 30-40 de altura y 150-200 mm de longitud; en la parte delantera se instala la rendija y se fija con pegamento: podemos idear un sistema para ampliar/reducir la anchura de la rendija con un tornillo de paso fino y un resorte o bien dejar la rendija con una anchura fija, como yo siempre he hecho (1 mm de anchura o menos basta para obtener espectros con líneas nítidas). En el extremo opuesto a la rendija se instala la red de difracción y se fija al marco de madera o cartón; si empleamos el filtro fotográfico hemos de girar éste un cierto ángulo, tanto mayor cuanto mayor queramos que sea la dispersión conseguida: podemos montar el filtro sobre un soporte giratorio y calibrar su ángulo observando una fuente luminosa de espectro no contínuo (no sirve una lámpara de incandescencia), por ejemplo una lámpara de bajo consumo (muy recomendable) o un fluorescente (menos recomendable, pero todavía válido): primero ponemos el filtro paralelo a nuestros ojos, luego miramos el espectro formado y vamos girando el filtro hasta que el espectro aparezca ancho y nítido en su máxima calidad: en ese momento fijamos el filtro con pegamento (el blu-tack es ideal por su limpieza) para que no se mueva de posición. Si usamos una red de difracción comercial esta técnica no es precisa: basta con instalar la red paralela a los ojos para que mirando a través suyo y ladeando un poco la vista apreciemos el espectro de primer orden sin problemas o incluso el de segundo orden algo más débil: el de tercer orden sólo se aprecia en cuerpos brillantes y parcialmente solapado con el de segundo orden (el espectro ofrece el color violeta próximo a la rendija y el rojo más lejano de la misma).
Ahora no tenemos más que apuntar con el espectrógrafo una lámpara de bajo consumo, acercar la webcam, ajustar el control de brillo y contraste y el enfoque de la misma (a veces es preciso acercar mucho la webcam al espectrógrafo: de lo contrario la luz se debilita) hasta que en el monitor aparezan las líneas: en ese momento ya tenemos el aparato listo para trabajar en sus primeras experiencias. No es difícil empezar a obtener espectrogramas: 3-4 minutos bastan para obtenerlos, aunque éstos deben grabarse en disco para procesarlos después (acentuar la ganancia, el contraste, el brillo, invertir los colores, ampliarlos a base de estirarlos, etc...) y estudiarlos cómodamente. Muy útil es un estiramiento digital en sentido vertical, que nos convierte los puntos gordos en líneas, más fáciles de identificar, medir, comparar, etc... y que no altera en lo más mínimo el espectro original.
Espectros obtenidos de una lámpara.
Obteniendo espectros.
Dada la pequeña abertura de la rendija (ya que no hemos empleado ningún sistema óptico para recolectar luz) sólo podremos observar espectrogramas de cuerpos brillantes tales como lámparas de incandescencia (espectro contínuo), lámpara de bajo consumo (espectro de emisión con líneas y bandas), fluorescente (espectro de emisión de líneas, por ejemplo las del mercurio), el Sol (espectro contínuo con líneas de absorción), el fósforo de monitores de TV (espectro casi contínuo, salvo en la parte roja donde el fósforo empleado presenta líneas de no emisión), la lámparita de argón que contiene la luz nocturna de los niños (o el pilotito de algunos pulsadores de la luz) y otros muchos con un poco de cuidado e imaginación. Aquellos que desde su casa puedan ver tubos de descarga de gases de los rótulos publicitarios comprobarán que éstos emiten líneas totalmente diferentes los unos a los otros: es debido a que unos utilizan helio, otros argón, otros vapor de mercurio o de sodio, etc... dependiendo del color que se desee emitir con el mismo.
«Los rótulos publicitarios emiten líneas totalmente diferentes los unos a los otros»
Con un espectrógrafo casero basado en una red de difracción comercial (570 líneas/mm) el autor obtiene sin problemas espectros de baja resolución en de lámparas, fluorescentes, luces del alumbrado público (mercurio y sodio mayoritariamente) e incluso el solar de absorción: en este último caso la finura de las líneas y el excesivo brillo del contínuo coloreado dificulta obtener resultados tan impactantes y rápidos como con lámparas domésticas, pero con un poco de cuidado y ajustando la ganancia, el contraste y el color de la webcam se pueden apreciar las líneas más intensas (oscuras en este caso): las del hidrógeno (en el violeta y el rojo), la del sodio (en el color amarillo: este doblete es difícil, salvo que el poder dispersor sea grande), así como algunas en el color rojo extremo debidas al hidrógeno y vapor de agua atmosférico.
No es fácil acoplar el espectrógrafo al ocular del telescopio, por lo cual tampoco es fácil observar espectros de cuerpos celestes tales como la Luna (un espectro similar al solar, ya que es simple luz solar reflejada), el de Venus o el de alguna brillante estrella... no obstante, cuidando el montaje y ajustando la ganancia de la webcam al máximo sería factible obtener, en principio, los espectros de las brillantes estrellas Sirio, Vega o Arturo con algunas de sus principales líneas espectrales. De momento no los he obtenido, aunque estoy en ello.
El espectro más espectacular es, sin duda, el de una lámpara doméstica de bajo consumo: visualmente la luz que emite tiene un tono agradable, cálido, entre blanca y crema; con la ayuda del espectrógrafo comprobamos que este fenómeno se produce porque la dos líneas de emisión más brillantes son verde y roja las cuales (por síntesis de color) dan amarillo; si añadimos una banda anaranjada (formada por una media docena de finas líneas muy apretadas) y un trío de líneas algo más débiles (una azul cielo, otra azul más oscuro y una violeta) podemos imaginar el resultado: blanco casi melocotón... El espectro obtenido por la webcam es muy pobre si lo comparamos con el que visualmente soy capaz de registrar: en la mejor de mis imágenes digitales apenas si puedo contar 7-8 líneas en el espectro de segundo orden (a la izquierda del todo la rendija, en el centro el espectro de primer orden y a la derecha espectro de segundo orden con líneas y bandas) que es el más amplio y definido: una violeta, una añil, otra azul cielo, una verde muy intensa, una banda anaranjada débil (formada por varias líneas muy próximas mal resueltas) y una roja intensa; visualmente la verde se desdobla en dos, en la zona anaranjada aparecen hasta seis y en el color rojo no menos de cinco de diferentes brillos, anchuras y posiciones.
Si apunto con el espectrógrafo a un led verde claro (el del propio monitor me sirve) compruebo que es un espectro contínuo similar al de una lámpara de incandescencia, en el cual no hay líneas ni bandas de emisión: sólo un arco iris que va desde el violeta profundo (a la izquierda) hasta el rojo profundo (a la derecha) pasando por el añil, azul, verde, amarillo y naranja.
Sin embargo una lámpara naranja de alumbrado nocturno es otra cosa: dado que la luz corresponde al vapor de sodio (a alta presión) el espectrograma obtenido no es contínuo, sino de emisión con líneas; aparecen así diferentes imágenes de la lámpara cada una de las cuales dibuja una línea de emisión; para comprobarlo monto delante del objetivo de la cámara la red de difracción y ajusto el enfoque a infinito, apuntando acto seguido a una de las farolas que veo desde casa situadas a unos 25-30 metros de distancia: compruebo que en el monitor aparecen claramente imágenes de la lámpara de color violeta, añil, azul, verde profundo, verde claro, amarillo, naranja y rojo además de un contínuo algo más débil en la zona anaranjada y rojiza que no logro resolver; éstas son las 8-10 principales líneas de emisión de la lámpara de vapor de sodio, aunque visualmente son bastante más. Curiosamente en la zona de emisión del vapor de sodio (amarillo) aparece una línea de absorción muy marcada, quizá debido a una auto-absorción...
«"Cuando necesito obtener espectrogramas de resolución media tengo que utilizar ya el espectro de segundo orden"»
Si ahora apunto a otra farola de luz blanco-verdosa, que corresponde el vapor de mercurio, compruebo que sólo aparecen tres imágenes nítidas de la bombilla: una verdosa-azulada, otra verde y otra roja (en realidad visualmente tanto la verde como la roja son dos imágenes muy próximas, lo cual indica que se trata de un doblete: dos líneas bastante cercanas casi fundidas) cuya luz conjunta sería blanca con ligeros tintes azulado-verdosos debido al desigual brillo de las líneas que lo componen; no aparecen bandas (supongo que debidas a la baja presión del gas) ni líneas en otros colores o, al menos con este sistema tan rudimentario, yo no las aprecio. Al apuntar a una lámpara más próxima (unos 25 m) veo e incluso resuelvo un fino doblete en el amarillo (cuyas líneas están separadas por 2,1 nm), a la vez que el número de líneas en el rojo aumenta (sin embargo el mercurio no emite en el rojo: probablemente se deban a algún tipo de fósforo empleado para enriquecer la zona roja de su espectro).
Comparativa de espectros tomados con la webcam a diferentes resoluciones.
Espectogramas con resolución.
Cuando necesito obtener espectrogramas de resolución media tengo que utilizar ya el espectro de segundo orden: esto me proporciona imágenes con mayor resolución, un espectro más amplio pero, lamentablemente, bastante más débil; esta técnica sólo es aplicable en las lámparas que brillan bastante por estar próximas y no se puede utilizar en todas las lámparas de alumbrado nocturno visibles desde mi casa. Con esta montaje he podido comprobar que algunas líneas simples son en realidad dobletes, así como llegar a intuir algunas débiles líneas más que por su debilidad sólo son presuntas candidatas. Utilizando el espectro de segundo orden la luz solar -o incluso la del cielo, en zonas cercanas al sol- es capaz de ofrecerme 10-20 líneas oscuras sobre un contínuo coloreado, a la vez que la línea del sodio queda resuelta si la anchura de la rendija no es elevada: en este caso puedo ver dos finísimas líneas muy juntas (en realidad una dista de la otra sólo 0,597 nm).
Para obtener espectrograma de alta resolución y buena calidad -siempre dentro de mis posibilidades- utilizo un sistema óptico que me amplifique la imagen del objeto luminoso a la vez que me captura más luz: en mi caso utilizo unos gemelos de 8 aumentos (cuyo objetivo mide 21 mm de diámetro: el tamaño justo para ser cubierto completamente por la red) instalado sólidamente sobre el tubo óptico del telescopio; éste me sirve de mero soporte sólido y no interviene para nada en el espectro; una vez fijados los gemelos sobre el tubo con blu-tack (especie de masilla sintética azul empleada para colgar de la pared carteles pequeños) instalo delante de uno de los objetivos la red de difracción y la aseguro también al tubo del telescopio con blu-tack; moviendo el telescopio apunto a la lámpara de sodio y enfoco ahora la misma con el mando de enfoque de los gemelos hasta verla nítida. Al mover el conjunto óptico lentamente hacia el cenit (empleando la montura del telescopio) puedo estudiar el brillante espectro de primer orden sin problemas, con una buena resolución y limpieza; asegurando ahora la webcam al ocular de los gemelos (pegándolo con blu-tack al telescopio) capturo las líneas con toda facilidad.
Mis últimas experiencias están encaminadas a unir la webcam a los prismáticos primero y al telescopio después para apuntar a los astros más brillantes del firmamento (Luna, Venus, Arturo): lo mismo con un poco de suerte puedo mostrar en un artículo futuro las principales líneas de absorción de algunas estrellas o planetas o incluso del cometa LINEAR... Espero que así sea y pronto pueda elaborar un nuevo artículo con espectaculares imágenes a todo color.
Por último, ¿cuál es el poder resolutivo del sistema?; en teoría este no debe ser muy elevado dado que no usamos una red demasiado profesional, el sistema óptico no es de primera calidad ni los ajustes en los elementos son finos. Podemos determinarlo de modo aproximado si observamos el espectro de una lámpara de vapor de mercurio: en ella aparecen 6 líneas muy definidas, de las cuales cuatro son dobletes; en efecto, en la zona violeta aparece un doblete (404,7 y 407,8 nm) separados por 3,1 nanómetros mientras que en la zona amarilla aparece otro doblete (577,0 y 579,1 nm) separados por sólo 2,1 nanómetros. Pues bien, incluso a simple vista (empleando el espectro de primer orden) aprecio claramente ambos dobletes; con la webcam es fácil resolverle empleando unos gemelos de 8 aumentos delante de los cuales instalo la red de difracción: puedo alcanzar así una resolución de 0,22 nm/pixel en aquellas lámparas más cercanas. La prueba de fuego sería poder desdoblar el doblete del sodio (589,592 nm y 588,995 nm) cuyas líneas están separadas por sólo 0,597 nm; para ello necesito un montaje especial que me hago del siguiente modo: en un folio de papel fuerte pego una lámina de papel de aluminio y en ella recorto, con infinito cuidado, una rendija de 30 mm de longitud con una anchura de 1 mm. Ahora no tengo más que examinar la luz solar con la red disminuyendo la luz recibida al examinarla a través de la rendija: empleando el espectro de primer orden veo casi una docena de finas líneas y aprecio una línea gorda en la zona del doblete del sodio, mientras que ésta queda perfectamente resuelta (¡dos finas líneas muy pegaditas!) con el de segundo orden; el espectro solar me muestra una buena cantidad de finas líneas en la zona verde (debido al magnesio) así como el azul, sin olvidar una línea en la zona roja debida al hidrógeno.
Francisco A. Violat
pacoviolat@retemail.es
Apartado 409
10080 Cáceres (ESPAÑA)
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