Cazando espectros

La luz es un tipo de radiación que nos permite ver lo que nos rodea. Los cuerpos de los cuales proviene la luz se denominan “fuentes de luz” y pueden ser de dos tipos: naturales y artificiales.

La luz parece ser blanca (o transparente) pero en realidad está compuesta por todos los colores del arcoíris, mezclados. El ojo humano percibe los objetos que no emiten luz como coloreados, solo cuando la luz (ya sea natural o artificial) los golpea, se refleja parcialmente y entra en nuestros ojos. Por ejemplo, ves un objeto como rojo porque cuando la luz lo golpea, todo se absorbe excepto el color rojo, que se refleja, luego entra en tus ojos y aparece así. Esto sucede para todos los demás colores, excepto el negro y el blanco, que - de hecho - no son colores reales, sino más bien la ausencia o suma de todos los colores, respectivamente. Para un objeto negro, toda la luz que incide sobre él es completamente absorbida, y para uno blanco, todos los colores son reflejados.

La luz se puede representar como una onda y en la imagen se pueden ver múltiples ondas que representan diferentes colores. La distancia entre dos crestas consecutivas en la onda (o entre dos comienzos de la forma de la onda) se llama longitud de onda y es una característica fundamental de la luz. Cada color tiene su propia longitud de onda, desde la más corta (violeta) hasta la más larga (roja). La unidad de medida junto al número es el nanómetro, que corresponde a una longitud mil millones de veces más corta que un metro.

Pasando de violeta a rojo, la longitud de onda aumenta, y en el mismo espacio se “incluyen” menos crestas de onda, porque un ciclo completo ocupa más espacio. Se podría hacer una analogía con gotas de agua cayendo en un vaso: cada vez que llega un pico de onda, podríamos imaginar que transfiere una cantidad “fija” de energía… como si fuera una gota de agua cayendo en un vaso. En un tiempo fijo, la luz azul lleva más gotas que la luz roja; es decir, la luz azul lleva más energía que la luz roja.

Por lo general, los colores dentro de la luz se mezclan y no se pueden distinguir. Para ordenar los colores de la luz necesitamos algo que los separe. Puede ser una pequeña gota de agua, un trozo de cristal (¿conoces las lámparas de la abuela con gotas de cristal?), o un “trozo de vidrio” llamado prisma.

El prisma es un objeto transparente. Cuando un haz de luz (blanca) entra, es “refractado” (el fenómeno físico que ocurre se llama “refracción”): cuando entra en el prisma, cada color en el rayo de luz experimenta una desviación, la cual depende de la longitud de onda del color en sí. Las ondas rojas se desvían menos que las violetas. Lo mismo ocurre cuando los rayos de luz salen del prisma. De esta forma, la luz que sale ya no es blanca, sino más bien una banda de colores ordenados, desde el rojo hasta el violeta: el arcoíris, que los científicos definen como “espectro”.

El espectroscopio que construirás en esta actividad funcionará exactamente como un prisma, descomponiendo la luz en diferentes colores. Gracias a él, verás con tus propios ojos que fuentes de luz differente pueden tener diferentes tipos de espectros. Si observas la luz del sol (TEN CUIDADO: ¡NUNCA MIRES DIRECTAMENTE AL SOL, NI SIQUIERA CON EL ESPECTROSCOPIO!), verás un arcoíris, mientras que las bombillas de luz de ahorro energético no producen un arco iris completo, sino solo unas pocas líneas de colores sobre un fondo negro. Se llaman espectros lineales, en contraposición al arco iris que observarás del Sol, que se define como espectro continuo.

En los dos casos anteriores, los espectros tienen formas diferentes porque la luz es emitida por diferentes procesos físicos. En el caso del Sol (o una bombilla de luz "normal"), la luz visible se produce porque la fuente está muy caliente (miles de grados). En el caso de la bombilla de bajo consumo, hay un gas (frío) dentro de la bombilla cuyos electrones, que normalmente orbitan a una cierta distancia del núcleo de su átomo, se excitan y saltan a órbitas más distantes, para luego caer de vuelta después de un tiempo a la órbita original. Durante este proceso, emiten luz. Sin embargo, la luz que emiten depende de la diferencia de energía entre las dos órbitas electrónicas, y por lo tanto, tiene un color preciso, que representa la energía de ese salto.

Cada gas, de cualquier elemento químico, tiene sus propios electrones, más o menos lejos del núcleo, y solo pueden hacer ciertos saltos. Por lo tanto, el espectro de un gas (es decir, las líneas de color emitidas por los electrones de ese gas durante su salto) es típico de ese gas. Este comportamiento es solo suyo y tiene esa combinación especifica de líneas de colores (espectro). En este sentido, podemos decir que el espectro es la huella dactilar del gas de ese elemento. Si vemos ciertas líneas, podemos deducir qué sustancia química, o qué combinación de elementos químicos, las emitió. Por lo tanto, comprenderás por qué es importante observar objetos celestes con un espectroscopio: nos permite aprender de qué están hechos. De hecho, en astronomía, este instrumento es mucho más poderoso: no solo nos permite entender qué elementos constituyen la fuente de luz, también podemos derivar su temperatura, la densidad del gas y si se está acercando o alejando de nosotros.