FUNDAMENTOS DE ESPECTROSCOPÍA

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1 FUNDAMENTOS DE ESPECTROSCOPÍA EMPLEANDO PHYSICSSENSORS Por: Diego Luis Aristizábal Ramírez, Roberto Restrepo Aguilar y Carlos Alberto Ramírez Martínez Profesores asociados de la Escuela de Física de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín Mayo de 2012 PARTE A: CONCEPTOS BÁSICOS El espectro Electromagnético Figura 1: Espectro electromagnético El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la radiación ultravioleta, la luz y la radiación infrarroja, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio, Figura 1. La luz es una muy pequeña porción de este espectro y comprende a las ondas electromagnéticas que están en el rango de longitudes de onda entre 380 nm y 750 nm, Tabla 1.

2 2 Espectro Color Longitud de onda λ (nm) violeta azul verde amarillo naranja rojo Tabla 1: Longitudes de onda del visible Fue Newton quien descubrió que la luz del Sol, al pasar por un prisma de vidrio, se descompone en luces con los colores del arco iris. La franja de luces de colores que se obtienen al separar la luz del Sol se denomina espectro solar. Cualquier cuerpo puede emitir luz si está a una temperatura lo suficientemente alta, como ocurre con el filamento de una bombilla cuando es atravesada por una corriente eléctrica, Figura 2. Los sólidos y líquidos emiten un espectro fundamentalmente continuo y similar al del Sol (contiene la misma distribución de colores y solo cambia la intensidad de cada uno de ellos). En cambio en estado gaseoso cada sustancia tiene un espectro característico que la identifica como si de un código de barras se tratara (una especie de huella digital ), Figura 2 (observar que el espectro de emisión y el de absorción del mismo gas son complementarios). La espectrometría es una técnica que aprovecha esta circunstancia para conocer la composición de un material analizando la luz que desprende cuando se somete a incandescencia (es utilizada en astronomía para identificar los componentes de una estrella como el Sol). Figura 2: Con una red de difracción se puede descomponer la luz (es decir, obtener los espectros). En esta ilustración el gas caliente y el gas frío corresponden a la misma sustancia.

3 3 Actividad 1: Observar con una red de difracción el espectro de la luz emitida por una bombilla de tungsteno. Observar con una red de difracción el espectro de la luz emitida por una lámpara de gas. Teorías fundamentales de construcción del color El espectro visible encierra tres amplias regiones de la radiación: rojo, verde y azul. Si se quita uno de estos aparece la mezcla de los otros dos: al quitar el rojo queda el cyan (verde+azul), al quitar el verde queda el magenta (rojo+azul) y al quitar el azul queda el amarillo (rojo+verde). Los colores producidos por luces (en la pantalla de nuestro computador, en el cine, televisión, etc.) tienen como colores primarios, el rojo, el verde y el azul (RGB por sus nombres en inglés) cuya fusión de estos, crean y componen la luz blanca, por eso a esta mezcla se le denomina, síntesis aditiva, Figura 3A, y las mezclas parciales de estas luces dan origen a la mayoría de los colores del espectro visible. Los colores sustractivos, son colores basados en la luz reflejada de los pigmentos aplicados a las superficies. Forman esta síntesis sustractiva, el color magenta, el cyan y el amarillo. Son los colores básicos de las tintas que se usan en la mayoría de los sistemas de impresión. La mezcla de los tres colores primarios pigmento en teoría debería producir el negro, el color más oscuro y de menor cantidad de luz, por lo cual esta mezcla es conocida como síntesis sustractiva, Figura 3B. En la práctica el color así obtenido no es lo bastante intenso, motivo por el cual se le agrega negro pigmento conformándose el espacio de color CMYK (por sus nombres en inglés). A. SÍNTESIS ADITIVA DEL COLOR B. SÍNTESIS SUSTRACTIVA DEL COLOR Figura 3: Teorías del color

4 4 Actividad 2: Superponer las luces de tres lámparas de color Rojo, Verde y Azul Actividad 3: Observar con una lupa la pantalla del computador. Actividad 4: Mezclar plastilina de diferentes colores. Qué es un filtro? Cuando la luz atraviesa un filtro de color, éste absorbe (sustrae) todas las luces excepto la luz de su propio color, Figura 4A. Uno de un color complementario (amarillo, por ejemplo) sustrae a la luz el azul, pero deja pasar a los otros dos (rojo+verde=amarillo), Figura 4B esta es la forma como obtienen sus colores los pigmentos (pinturas, objetos, etc.). Actividad 5: A. Filtros de colores primarios B. Filtros de colores complementarios Figura 4: Principio de los filtros de colores Observar las imágenes 3D con el uso de filtros rojo y azul. Qué es un pigmento? Un pigmento es cualquier sustancia que absorba la luz. El color del pigmento está dado por la longitud de onda no absorbida (y por lo tanto reflejada). El pigmento negro absorbe todas las longitudes de onda que le llega. El pigmento blanco refleja prácticamente toda la energía que le llega. Los pigmentos tienen un espectro de absorción característico de cada uno de ellos.

5 5 La clorofila La clorofila, el pigmento verde común a todas las células fotosintéticas, captura en su mayoría la luz en los entornos del azul ( nm) y del rojo ( nm), que corresponden a los extremos del espectro visible de la luz solar y refleja la luz de la parte media del espectro correspondiente al color verde ( nm) dando a las plantas su color, Figura 5. La energía absorbida, la planta la utiliza para realizar el proceso de fotosíntesis. Actividad 6: Preparar disolución de clorofila. A. La solución de clorofila deja pasar las longitudes de onda correspondiente a los verdes Para tener en cuenta Figura 5 B. Espectro de absorción de la clorofila El color es una sensación, como el olfato. El color no se observa hasta que la radiación interactúa con la materia siendo reflejada o transmitida por esta, para llegar al ojo donde es censada e interpretada por el cerebro. El color de un cuerpo depende de: la naturaleza de su superficie, de los colores vecinos y del tipo de luz que lo ilumina. Un objeto sólo se ve con su propio color si se ilumina con luz blanca o con luz de su mismo color (en este caso, si está en un fondo blanco se podrá confundir con el fondo es decir, desaparecería ). El cosmos está lleno de radiación pero se ve oscuro. El cielo se ve azul en la Tierra debido al efecto de los gases de la atmósfera sobre la luz que difunden. Las materias colorantes procedentes de sustancias orgánicas, casi siempre de partes florales, jugo de la savia, etc., disueltas en aceite o agua son la base de las pinturas.

6 6 El Espectrómetro El modo de funcionamiento de un espectrómetro es relativamente sencillo de entender y es, con seguridad, uno de los instrumentos científicos más importantes. La configuración de los espectrómetros actuales sigue siendo similar a los diseñados en el siglo XIX. La luz al atravesar un prisma (refracción), Figura 6A o una red de difracción, ción, Figura 6B, es descompuesta en los diferentes componentes de color (cada onda de luz es desviada en un ángulo diferente de acuerdo a su longitud de onda: los prismas desvían más la luz azul que la roja, las redes de difracción lo hacen al contrario). A. Espectrómetro de prisma (imagen tomada de B. Espectrómetro de red de difracción (imagen tomada de Figura 6 Construcción de espectrómetro casero de red de difracción Figura 7: Espectroscopio diseñado por Explora de la ciudad de Medellín 1 1 Sitio Web del Parque Explora de la ciudad de Medellín:

7 7 El espectroscopio de la Figura 7 se construye empleando un sector de un CD y cartulina. Nota: En la Internet se proporcionan diferentes formas de construir un espectroscopio casero empleando un sector de un CD. En la Web oficial de se ofrece la documentación para la construcción de una versión de éste instrumento. Actividad 7: Construir un espectrómetro utilizando como red de difracción un sector de un CD.

8 8 PARTE B: ANÁLISIS DE ESPECTROS Analizador de espectros de Tomando la foto del espectro obtenido mediante el uso del espectrómetro, y almacenándola en formato.jpg, se puede usar el módulo Analizador de espectros de para analizar dicho espectro. Este será el software a emplear para analizar espectros en las siguientes actividades propuestas en este documento. Su ejecutable se encuentra en la carpeta ejecutables_windows_32_bits (para el caso del sistema operativo Windows) y se denomina ejecutar_analizador_espectros.bat. En la Figura 8 se ilustra la ventana principal que despliega este software. Figura 8: Ventana de la aplicación para analizar espectros de Ejemplo 1: Análisis del espectro de emisión de una lámpara de mercurio Introducción En este ejercicio se analizará el espectro de emisión de una lámpara de mercurio el cual está debidamente calibrado con un espectrómetro profesional. En la imagen del espectro, Figura 9, se encuentra la escala de longitudes de onda en nm (parte inferior). Figura 9: Espectro de lámpara de mercurio (imagen tomada de

9 9 Objetivo Dado una imagen del espectro, analizar éste mediante una gráfica de Intensidad Normalizadas Longitud de Onda. El software a emplear es con su módulo de analizador de espectros. Nota: Intensidad Normalizada, significa que todas las intensidades fueron divididas por la intensidad máxima. Procedimiento Ejecutar el software Analizador de Espectros de : hacer clic sobre el archivo ejecutar_analizador_espectros.bat. Se desplegará la ventana de la Figura 8. Figura 10: Acción para desplegar el espectro Cargar la imagen del espectro: hacer clic en Archivos>Cargar la muestra, Figura 10. Se despliega el cuadro de diálogo para escoger el archivo de la imagen del espectro que se analizará, Figura 11.

10 10 Figura 11: Cuadro de diálogo que permite seleccionar la imagen del espectro que se analizará. Hacer doble clic sobre el archivo correspondiente al espectro de la lámpara de mercurio. En el panel izquierdo de la ventana de la aplicación aparecerá el espectro, Figura 12. Figura 12: El espectro se despliega en el panel izquierdo. Escoger una línea espectral de la muestra (a la izquierda -es decir, hacia los azules-) haciendo clic sobre ella. En este ejemplo se escogió la azul en la posición 34. Para calibrar

11 11 (estimar la longitud de onda correspondiente) se utiliza como referencia una porción del espectro de la luz blanca obtenido con un espectrómetro profesional; para esto hacer clic en Ayuda>Sobre el espectro y se desplegará una pequeña ventana donde aparece la porción del espectro de la luz blanca, y dos paneles de color, uno correspondientes al color de la línea espectral elegida (panel a la derecha) y otro correspondiente al color elegido del espectro de referencia, Figura 13, el cual puede ir variando deslizando el puntero del mouse sobre este espectro hasta lograr igualar los colores de ambos paneles: se visualiza adicionalmente el valor de la longitud de onda correspondiente, en este caso 431 nm, Figura 13. Estos datos se introducen en los correspondientes campos de texto primero y tercero de la parte inferior izquierda de la ventana de la aplicación: se introducen respectivamente los valores 34 y 431, Figura 14. Figura 13: Observar los paneles de color de la pequeña ventana que se despliega para calibrar el línea espectral elegida Repetir el procedimiento anterior para otra línea espectral (a la derecha -es decir, hacia los rojos-) haciendo clic sobre ella. En este ejemplo se escogió la roja en la posición 287. Se obtuvo la longitud de onda empleando el espectro de referencia y se obtuvo el valor de 622. Se llenan ahora lso campos de texto segundo y cuarto de la parte inferior izquierda de la ventana de la aplicación, Figura 15.

12 12 Figura 14: Observar los valores en los campos de texto de la parte inferior izquierda de la ventana de la aplicación Figura 15: Observar los valores en los campos de texto de la parte inferior izquierda de la ventana de la aplicación Hacer clic en Graficar y se despliega en el panel derecho la gráfica de Intensidad Normalizada vs Longitud de Onda en nm correspondiente al espectro muestra, Figura 16. Los valores de las longitudes de onda correspondientes a cada uno de los detalles del

13 13 espectro se pueden obtener deslizando el mouse sobre esta gráfica: se podrá obtener los valores de las longitudes de onda de los picos, de los valles etc Figura 16: En el panel derecho se despliega la gráfica de Intensidad Normalizad vs Longitud de Onda correspondiente al espectro. Ejemplo 2: Análisis del espectro de emisión de una lámpara de fluorescencia Introducción En este ejercicio se analizará el espectro de emisión de una lámpara de fluorescencia, Figura 17. A diferencia del caso anterior no se tiene información sobre las longitudes de onda correspondiente a las rayas espectrales. Objetivo Figura 17: Imagen del espectro de una lámpara de fluorescencia (imagen tomada de Dado una imagen del espectro, obtener las longitudes de onda de los picos más sobresalientes del espectro (señalados con circunferencias blancas en la Figura 18). El software a emplear es con su módulo de analizador de espectros.

14 14 Figura 18 Procedimiento Seguir los pasos del procedimiento del caso anterior hasta obtener el resultado ilustrado en la Figura 19. Figura 19: Análisis del espectro de una lámpara de fluorescencia. Los valores obtenidos para los picos solicitados en la Figura 18 son: 430 nm, 475 nm, 544 nm y 576 nm.

15 15 Ejercicio 1: Análisis del espectro de emisión de una lámpara de sodio a presión baja Introducción En este ejercicio se analizará el espectro de emisión de una lámpara de sodio, Figura 20. Objetivo Figura 20: Imagen del espectro de una lámpara de sodio (imagen tomada de Dado una imagen del espectro, obtener las longitudes de onda de los picos más sobresalientes del espectro (señalados con circunferencias blancas en la Figura 21). El software a emplear es con su módulo de analizador de espectros. Procedimiento Figura 21: Con circunferencias blancas se señalan los picos a los cuales se les debe determinar la longitud de onda Seguir los pasos del procedimiento de los casos anteriores hasta obtener el resultado ilustrado en la Figura 22.

16 16 Figura 22: Análisis del espectro de una lámpara de sodio a baja frecuencia. Respuestas: 484 nm, 502 nm, 560 nm, 583 nm y 613 nm. Ejercicio 2: Análisis del espectro de emisión de una lámpara de sodio a presión alta Introducción En este ejercicio se analizará el espectro de emisión de una lámpara de sodio, Figura 23. Objetivo Figura 23: Imagen del espectro de una lámpara de sodio a presión alta y tomado con un espectroscopio casero construido empleando como red de difracción un CD (imagen tomada de Dado una imagen del espectro, obtener las longitudes de onda de los picos y valles más sobresalientes del espectro (señalados con circunferencias blancas en la Figura 24). El software a emplear es con su módulo de analizador de espectros.

17 17 Figura 24: Con circunferencias blancas se señalan los picos y valles a los cuales se les debe determinar la longitud de onda Procedimiento Seguir los pasos del procedimiento de los casos anteriores hasta obtener el resultado ilustrado en la Figura 25. Figura 25: Análisis del espectro de una lámpara de sodio a alta frecuencia Respuestas: 454 nm, 486 nm, 504 nm, 560 nm, 580 nm.

18 18 Ejercicio 3: Análisis del espectro de la luz solar Objetivo Analizar el espectro de la luz solar. Procedimiento Figura 26: Dibujo que ilustra el perfile de espectros de: luz solar, lámpara fluorescente y lámpara de tungsteno Usando un espectroscopio casero proceder a obtener el espectro de la luz solar y tomarle una foto. Adecuar la foto del espectro para ser procesado por el Analizador de Espectros de. Realizar el análisis del espectro (longitudes de onda correspondientes a los picos y valles de intensidad más notables del espectro). Comparar con la información suministrada en la Figura 26. Ejercicio 4: Análisis del espectro de la luz emitida por una bombilla de tungsteno Objetivo Analizar el espectro de la luz emitida por una bombilla de filamento de tungsteno. Procedimiento Usando un espectroscopio casero proceder a obtener el espectro de la luz emitida por una bombilla de filamento de tungsteno y tomarle una foto. Adecuar la foto del espectro para ser procesado por el Analizador de Espectros de.

19 19 Realizar el análisis del espectro (longitudes de onda correspondientes a los picos y valles de intensidad más notables del espectro). Comparar con la información suministrada en la Figura 26. Ejercicio 5: Análisis del espectro de la luz que atraviesa un filtro de color Objetivo Analizar el espectro de la luz que atraviesa un filtro de color. Procedimiento Entre la bombilla de filamento de tungsteno y el espectroscopio colocar un filtro de color (por ejemplo, un trozo de acrílico de color). Usando un espectroscopio casero proceder a obtener el espectro de la luz que atraviesa el filtro y tomarle una foto. Adecuar la foto del espectro para ser procesado por el Analizador de Espectros de. Realizar el análisis del espectro (longitudes de onda correspondientes a los picos y valles de intensidad más notables del espectro). Ejercicio 6: Análisis del espectro de absorción de la clorofila EN CONSTRUCCIÓN

20 20 REFERENCIAS, Escuela de Física de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín [en línea: mayo de Teoría del Color [en línea: mayo de Molecular Expressions Optical Microscopy Primer [en línea: mayo de Seminario de Física y Química [en línea: mayo de Hombros de Gigantes [en línea: mayo de Parque Explora Medellín, [en línea: mayo de FIN

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