FÍSICA LAB. 8. la polarización. Comprender la técnica de análisis por espectroscopia. Visualización de los

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1 FÍSICA LAB. 8 ÓPTICA FÍSICA Objetivos: Comprender y visualizar los espectros de difracción e interferencia y el fenómeno de la polarización. Comprender la técnica de análisis por espectroscopia. Visualización de los espectros de emisión de distintos gases. Difracción e Interferencia Sabemos que una onda al encontrarse con un obstáculo cuyas dimensiones son del tamaño de su longitud de onda se produce un fenómeno llamado difracción en el cual observamos zonas claras y oscuras alternadas, en vez de observar una sombra, a este efecto se lo llama a veces flexión de la luz. Uno de los primeros experimentos que demostraron que la luz puede producir interferencias fue realizado por Young hacia 1800, experiencia que añadió una prueba mas a la teoría ondulatoria de luz. Al hacer incidir un haz de luz láser m= 2 sobre un sistema de dos rendijas como se muestra en la figura obtendremos un θ 2 m= 1 diagrama de interferencia sobre la pantalla. Este diagrama o patrón de interferencia esta He-Ne m= 0 formado por un conjunto de manchas LASER m=-1 brillantes y oscuras (ver teoría). La posición angular de los máximos m=-2 (zonas brillantes) para el experimento de interferencia esta determinada por la Pantalla siguiente relación: sen( θ m ) = m m = 0, ± 1, ± 2,... d donde m representa los distintos ordenes, θ m la posición angular en la pantalla del orden m respecto al máximo central, d la separación entre las aberturas y la longitud de onda utilizada. De forma similar para el caso de la difracción de una única rendija la ubicación angular de los mínimos (zonas oscuras) de difracción esta dado por: sen( θ m ) = m m = ± 1, ± 2,... a en donde a es el tamaño de la abertura. En los experimentos de difracción, interferencia y de polarización utilizaremos como fuente de luz un LASER. 1

2 L.A.S.E.R.: Acrónimo de la expresión inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations (Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiaciones). Son dispositivos capaces de producir haces de luz muy especial. Aunque la luz láser consiste en la misma radiación electromagnética que la luz ordinaria, posee varias propiedades distintivas: alta direccionalidad, brillo extremo, alta monocromaticidad (de una única longitud de onda = único color) y coherencia de fase. El principio de funcionamiento se basa dos procesos cuánticos: la inversión de la población y la emisión estimulada. Precauciones: Aunque sean de baja potencia como los de He-Ne utilizados en este laboratorio pueden causar daños irreversibles a su vista. Cualquier objeto común en el laboratorio como: metales, reglas, lentes, etc., pueden reflejar o dispersar la luz hacia sus ojos o los de algún compañero, por lo que es muy importante estar atento y mantener los ojos fuera del alcance directo del láser. NUNCA Y BAJO NINGUNA CONDICION OBSERVE DIRECTAMENTE LA RADIACIÓN LASER! Qué ventajas tiene utilizar como fuente de luz un LASER? Difracción e interferencia con rendijas Utilizando el esquema de la figura anterior ubique el láser y posicione la rendija que corresponda en cada caso para poder desarrollar las siguientes experiencias: Obtenga el patrón de difracción de una rendija simple de ancho a sobre la pantalla. Utilizando el marco teórico ya visto (ver guía de teoría) y los datos necesarios obtenidos experimentalmente, determine el ancho de la abertura usada. Sabiendo que una abertura de ancho a y un obstáculo con las mismas dimensiones producen el mismo patrón de difracción (principio de Babinet), determine el espesor de un hilo delgado. Con algunas consideraciones se puede medir también el grosor de un cabello humano. Observe sobre la pantalla el patrón generado por un conjunto de dos rendijas estrechas (a<<) de ancho a y separadas por una distancia d. qué sucedería si aumentásemos la separación entre rendijas? y si aumentamos el ancho a de cada abertura? Red de difracción Se llama red de difracción plana al conjunto de rendijas iguales paralelas separadas entre sí por la misma distancia d muy pequeña. Normalmente en la misma vine especificado el número N de rendija por unidad de longitud. Utilizando un láser y una red de difracción (ver teoría) con un espaciamiento d entre líneas conocido, determine la longitud de onda de un láser. La imagen de difracción se puede proyectar sobre una pared o una pantalla. A partir de las mediciones de la posición angular del máximo central y de los primeros máximos ( primer orden, segundo orden, etc.) y usando la expresión sen( θ m ) = m m = 0, ± 1, ± 2,... d que relaciona la ubicación de los máximos con los distintos ordenes m de difracción, determine el valor de la longitud de la luz del láser y estime su error. 2

3 Polarización y actividad óptica Una onda transversal, como por ejemplo la luz puede vibrar en todas las direcciones perpendiculares a su dirección de propagación. Si esta onda llega a un filtro que solo deja pasar una sola de todas las posibles direcciones de vibración decimos entonces que esta onda luego de atravesar este filtro esta polarizada linealmente, es decir la onda se propaga solo vibrando en la dirección permitida por el filtro, como se ve en la figura. La radiación emitida por una antena de radio (dipolo oscilante) esta polarizada estando el campo eléctrico en el plano de oscilación del dipolo. Una molécula vibrando esta polarizada, solo que es imposible aislar una molécula y estudiar su tren de ondas, en realidad percibimos las emisiones de un número muy grande de moléculas vibrando en todas las direcciones posibles. Si una onda no polarizada con una dada intensidad incide sobre un polarizador, después de atravesarlo su intensidad habrá disminuido. Si después de sufrir este proceso colocamos un segundo polarizador que actúe sobre esta onda podrá disminuirse su intensidad nuevamente (hasta anularla totalmente dependiendo del ángulo relativo formado entre los dos polarizadores), si el ángulo es de 90 0 la onda se anula y si el ángulo es de 0 0 no es afectada la intensidad la misma y cualquier situación intermedia entre estos dos extremos es válida. En 1809 Etienne Malus descubrió experimentalmente la relación entre las intensidades de una onda que atraviesa dos polarizadores (Ley que lleva su nombre) I = I max cos siendo I max la máxima cantidad de luz transmitida e I la luz transmitida para un ángulo θ, el significado de este ángulo es el del ángulo formado entre las direcciones de propagación de ambos polarizadores, si varia el ángulo varia la intensidad, como puede verificarse fácilmente si las direcciones de polarización son paralelas (θ = 0) la intensidad no cambia y será mínima para θ = 90 o Que la luz atraviese un polarizador no es la única manera de polarizarla, una onda se puede polarizar por reflexión, cuando la onda se refleja en una superficie se polariza en una dirección perpendicular al plano de reflexión. Por lo tanto si pretendemos modificar su intensidad solo es necesario un solo polarizador, una aplicación practica usual de este fenómeno son los cristales polarizados de los automóviles y las gafas polarizadas. Existen cristales birrefringentes, en los cuales incide luz natural la cual es separada en dos ondas polarizadas con planos de polarización perpendiculares entre sí, este fenómeno es utilizado en los análisis óptico de esfuerzo y en procesos de fotoelasticidad. Actividad óptica: Otra aplicación importante de este fenómeno de polarización es en los procesos de control de calidad, aprovechando la cualidad de ciertos compuestos de producir una rotación en el ángulo de polarización. Este comportamiento ópticamente activo puede ser dextrógiro o levógiro ya sea la rotación hacia la derecha o hacia la izquierda y permite comparar ángulos de rotación del plano de polarización de sustancias conocidas con muestras de la misma sustancia para verificar adulteraciones o controlar la pureza de la misma. Por ejemplo las disoluciones de la caña de azúcar son dextrógiras y el cuarzo puede ser dextrógiro o levógiro dependiendo de su estructura cristalina. 2 θ 3

4 Espectroscopia Introducción La espectroscopia es el análisis de la luz, o de otras formas de radiación, a partir de sus espectros. Puesto que todos los materiales tienen una firma característica de longitudes de onda en su espectro, ello permite, por ejemplo, efectuar análisis espectroquímicos, para descubrir los materiales presentes en una muestra dada. Un espectro es una ordenación de ondas según sus longitudes de onda. La longitudes de onda de la luz constituyen sólo una parte del espectro completo de radiaciones electromagnéticas, que varían desde las longitudes de ondas muy largas de radio, hasta las muy corta de los rayos gamma. En los extremos de la región visible de la luz, se encuentran las radiaciones infrarrojas (longitud de onda mas larga) y las ultravioletas (longitud de ondas mas cortas). Desde el punto de vista cuántico un cuánto de la luz azul tiene más energía que uno de luz roja. Si se analiza la luz de un elemento incandescente, por ejemplo una llama, con un prisma o una red de difracción se observa que existen líneas brillantes de determinadas longitudes de ondas (colores). Al calentar un elemento algunos electrones adquieren suficiente energía como para pasar a niveles de mayor energía (cambian de órbita) al regresar a su nivel original la energía es devuelta en forma de radiación generando una línea espectral. La longitud de onda asociada a esta línea espectral dependerá de la diferencia energética entre niveles. Un gas a baja presión produce sus características líneas de emisión brillantes por el proceso que acaba de describirse. Pero en el caso de un sólido incandescente la radiación emitida no es según líneas individuales discretas, sino que es continua. Esto da lugar al completo y conocido espectro del arco iris. En el caso del sol este espectro continuo está cruzado por líneas oscuras de absorción (líneas de Fraunhofer) debido a los gases fríos de la atmósfera exterior del sol. Espectros de Emisión: Existen muchas formas de obtener un espectro de emisión la más sencilla es utilizar un tubo de Plücker. Éste es una ampolla de vidrio que contiene el gas a estudiar a baja presión (del orden de 1mm de Hg). Elemento Color (nm) Na 588,99 589,59 En los extremos tiene dos terminales que al conectarlos a una diferencia de potencial se genera una descarga que pone luminoso al gas. La luz así emitida se llama de luminiscencia. Espectros de Absorción: Si sobre un cuerpo gaseoso, una solución o un sólido transparente se hace incidir luz con un espectro continuo, y se analiza la radiación que atraviesa a aquellos, se encontrará que ésta consiste en un espectro continuo interrumpido por líneas o bandas oscuras. A este espectro se le denomina espectro de absorción. Si el absorbente es atómico, tendremos líneas oscuras mientras que si es molecular observaremos bandas oscuras en el espectro de absorción. Las H He Hg Cd - Ultra - Ultravioleta 656,28 656,27 486,13 434,05 410,17 706,52 667,81 587,56 504,77 501,57 492,19 471,31 447,15 438,71 414,37 412,08 402,62 396,48 381,96 708,20 613,43 579,07 576,96 546,07 496,07 491,60 435,83 434,75 433,92 407,78 404,68 643,85 508,58 479,99 467,80 441,20 361,10 Ti 535,07 4

5 posiciones de estas líneas o bandas corresponden a las mismas longitudes de onda que emitiría el absorbente si se lo llevara a condiciones en las cuales irradiara. En tabla se muestran algunas sustancias con sus respectivas línea espectrales. El Espectroscopio Como se muestra en la figura el espectroscopio es un instrumento que consta esencialmente de un prisma (o de una red de difracción), un colimador por el cual llega la luz a observar y un anteojo donde se recoge y observa el espectro refractado. El colimador consiste en una rendija y una lente que permiten definir un haz delgado de luz paralela. La luz luego de pasar por el colimador incide en un prisma (o en una red de difracción) y se divide según las diversas longitudes de onda que forman el espectro. Generalmente el prisma o la red están montado en el centro en una plataforma circular graduada, alrededor de la cual puede moverse concéntricamente anteojo y colimador. El Método de Medida La desviación producida por un prisma o por una red de difracción se determina directamente de la lectura en la plataforma graduada. Para determinar a que valor de longitud de onda corresponde a cada división es necesario calibrar el instrumento. Para ello se trazar una curva Colimador Anteojo que de la desviación, en divisiones de una escala superpuesta al espectro, para distintas longitudes de onda de espectros Fuente Prisma conocidos. Con la curva de calibración se podrá posteriormente determinar la longitud de onda de cualquier línea desconocida de un espectro, simplemente observando la posición que la misma ocupa sobre la escala del espectroscopio. Llevando este valor a la curva de calibración se obtiene de ella el valor de la longitud de onda correspondiente levantando la ordenada de la curva que corresponde al valor de la desviación leída. Un método para obtener dicha curva es medir la desviación para diferentes rayas de longitudes de onda conocidas, distribuidas por todo el espectro visible y después trazar una curva que una los puntos obtenidos. Experiencia de espectroscopia 1. Ilumine la rendija del colimador con la luz monocromática de la lámpara de vapor de sodio. Espere unos minutos para que ésta adquiera la temperatura de emisión adecuada. Desplace el tubo de la escala hasta que la línea amarilla del espectro coincida con una división de la escala. 2. Coloque ahora la lámpara de hidrógeno y anote la división de la escala y la longitud de onda correspondiente de cada línea. Utilice la tabla para determinar que longitud de onda esta asociada a cada línea del espectro. 3. Repita el procedimiento del paso 2 con la lámpara de helio y luego con la de mercurio. 4. Con todos los valores obtenga la curva de calibración. 5. Coloque frente al colimador una fuente luminosa desconocida (por ejemplo cadmio) y anote las desviaciones correspondientes a cada línea. 6. Utilizando la curva de calibración, determine la longitud de onda correspondiente a cada una de las líneas observada en el paso anterior. Identifique utilizando la tabla el elemento desconocido. 7. Dirija la rendija del colimador hacia una superficie iluminada por el sol (si es posible), intente observar las líneas de absorción. Obtenga las conclusiones que surjan de la observación. 5

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