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• Jonny Bayas Cordova

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Descubrimiento de los rayos infrarrojos – El experimento de Herschel Tomado de http://www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/herschel/index.shtml

Sir Frederick William Herschel Sir Frederick William Herschel (1738-1822) nació en Hannover, Alemania, y fue conocido como músico y como astrónomo. En 1757 emigró a Inglaterra, donde junto con su hermana Caroline, construyó telescopios para examinar el cielo nocturno. Su trabajo resultó en la publicación de varios catálogos de estrellas dobles y nebulosas. Herschel es quizás más conocido por su descubrimiento del planeta Urano en 1781, el primer planeta nuevo descubierto desde la antigüedad. En el año 1800, Herschel hizo otro descubrimiento muy importante. Estaba interesado en aprender cuánto calor pasaba través de los filtros coloreados con los que observaba el sol, ya que había notado que la cantidad de calor que transmitían dependía del color. Herschel pensó que los colores en sí podrían filtrar distintas cantidades de calor, por lo que diseñó un experimento muy original para comprobar su hipótesis. Herschel hizo pasar luz solar a través de un prisma de cristal para generar un espectro: el arco iris, el cual se forma cuando la luz se divide en los colores que la componen. Luego midió la temperatura de cada color. Para ello Herschel utilizó tres termómetros con bulbos ennegrecidos para absorber mejor el calor. Colocó un bulbo en cada color, mientras que otros dos fueron colocados fuera del espectro, como muestras de control. Al medir las temperaturas de la luz violeta, azul, verde, amarilla, naranja y roja, notó que cada color tenía una temperatura mayor que los termómetros de control, y que la temperatura de los colores del espectro aumentaba al ir del violeta al rojo. Después de realizar ese experimento, Herschel decidió medir la temperatura en una zona ubicada un poco más allá de la luz roja del espectro, al parecer desprovista de luz. Para su sorpresa, descubrió que esta región tenía la temperatura más alta de todas. Herschel hizo otros experimentos con lo que llamó “rayos caloríficos”, que existían más allá de la región roja del espectro. Encontró que eran reflejados, refractados, absorbidos y transmitidos igual que la luz visible. Sir William había descubierto una forma de luz —o radiación— ubicada más allá de la luz roja. Estos “rayos caloríficos” fueron posteriormente denominados rayos infrarrojos o radiación infrarroja (el prefijo infra significa debajo). El experimento de Herschel es importante no sólo porque condujo al descubrimiento de los rayos infrarrojos, sino también porque fue la primera vez que se demostró que había formas de luz imposibles de percibir con nuestros propios ojos. El prisma y el espejo originales de Herschel se exhiben en el Museo Nacional de Ciencias e Industrias de Londres, Inglaterra. Hoy en día, la tecnología infrarroja tiene muchas aplicaciones interesantes y útiles. En el campo de la astronomía infrarroja se están realizando nuevos y fascinantes descubrimientos sobre el universo. En medicina, la radiación infrarroja es una herramienta de diagnóstico muy útil. Las cámaras fotográficas infrarrojas son utilizadas en actividades policiales y de seguridad, así como en aplicaciones militares y de lucha contra incendios. Las imágenes infrarrojas se emplean para detectar pérdidas de calor en edificios y probar sistemas electrónicos. Los satélites infrarrojos monitorean el clima terrestre, estudian modelos de vegetación, llevan a cabo en estudios geológicos y miden las temperaturas oceánicas. Si le interesa repetir el experimento de Herschel, consulte Experimento de Herschel en la banda infrarroja. El año 2000 marcó el segundo centenario del descubrimiento de los rayos infrarrojos por Sir William Herschel.

Experimento de Herschel en la banda infrarroja OBJETIVO: Repetir el experimento de 1800, mediante el cual el famoso astrónomo Sir William Herschel descubrió una forma de radiación distinta de la luz visible. ANTECEDENTES: Herschel descubrió la existencia de la luz infrarroja haciendo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio, en un experimento similar al que describimos aquí. La luz solar, al pasar a través del prisma, es dispersada en un arco iris de colores denominado espectro. El espectro contiene todos los colores visibles que componen la luz del sol. Herschel estaba interesado en medir la cantidad de calor en cada uno de los colores y para ello utilizó termómetros con bulbos ennegrecidos para medir sus distintas temperaturas. Herschel notó que la temperatura aumentaba al pasar de la parte azul a la parte roja del espectro visible. Colocó entonces un termómetro un poco más allá de la parte roja del espectro, en una región donde no había luz visible, y descubrió que la temperatura era todavía más alta. Herschel concluyó que existía otro

tipo de luz más allá del rojo, que no podemos ver. Este tipo de luz luego se llamó infrarrojo. El prefijo infra proviene de la palabra latina que significa abajo. Aunque el procedimiento que describiremos es un poco diferente al experimento original de Herschel, los resultados obtenidos son similares. MATERIALES: Un prisma de vidrio (los prismas de plástico no dan buen resultado con este experimento), tres termómetros de alcohol, pintura negra o un rotulador o marcador permanente de tinta negra, tijeras, un soporte para el prisma, una caja de cartón y una hoja blanca. PREPARACIÓN: Para realizar el experimento eficazmente, es necesario ennegrecer los bulbos de los termómetros . Una forma de hacerlo es pintarlos con la pintura negra, cubriéndolos con una cantidad casi igual de pintura. También es posible ennegrecer los bulbos usando el rotulador permanente de tinta negra. (Nota: los bulbos pintados producen mejores resultados.) Los bulbos de los termómetros se ennegrecen para que absorban mejor el calor. Después de que la pintura o la tinta se hayan secado totalmente, coloque los termómetros juntos de tal forma que las escalas de temperatura queden alineadas como se muestra en la Figura 1.

Figura 1

PROCEDIMIENTO: El experimento se debe conducir al aire libre, en un día soleado. Las condiciones de nubosidad variable, tales como la presencia de cúmulos dispersos o neblina pesada, reducen el efecto. La disposición del experimento se muestra en la Figura 1. Se comienza colocando la hoja blanca, en forma plana, en el fondo de la caja de cartón. En el siguiente paso, el prisma se coloca cuidadosamente en el borde superior de la caja, de modo que quede del lado del sol.

Si no se dispone de un soporte para prisma (puede adquirirse en tiendas de artículos científicos), la manera más fácil de montarlo es cortar parte del borde superior de la caja. La muesca del recorte debe sostener el prisma de forma ajustada y permitir su rotación sobre su eje longitudinal (tal como se muestra en la Figura 2). Es decir que los cortes verticales laterales se deben realizar a una distancia ligeramente menor que la longitud del prisma, en tanto que el corte inferior debe ser un poco más profundo que el ancho del prisma. Luego, el prisma se coloca dentro del recorte y se hace girar hasta que aparezca un espectro lo más amplio posible en la zona de sombra, sobre la hoja blanca situada en el fondo de la caja. (Para ver imágenes que ilustran el experimento, haga clic aquí.) Para obtener una amplia gama de colores, posiblemente sea necesario levantar ligeramente el extremo de la caja del lado del sol. Después de asegurar el prisma en posición, coloque los termómetros a la sombra y registre la temperatura ambiente. Coloque ahora los termómetros en la luz del espectro, de manera que cada bulbo esté en uno de los colores: uno en la región azul, otro en la región amarilla, y el tercero un poco más allá de la región roja visible (vea la Figura 3).

Figura 3

Las temperaturas demoran unos cinco minutos en alcanzar sus valores finales. Registre las temperaturas en cada una de las tres regiones del espectro: azul, amarillo y un poco más allá del rojo. Mientras lee las temperaturas, no retire los termómetros del espectro y no bloquee su luz. DATOS Y OBSERVACIONES:

Termómetro No. 1

Termómetro No. 2

Termómetro No. 1 (azul)

Termómetro (amarillo)

Termómetro No. 3

Temperatura a la sombra

Temperatura espectro

en

Después de 1 minuto

Después de 2 minutos

Después de 3 minutos

Después de 4 minutos

Después de 5 minutos

el

No.

2

Termómetro No. 3 (más allá del rojo)

Nota: Según la posición del prisma con respecto al sol, los colores del espectro pueden aparecer en orden inverso al que se muestra en las figuras. PREGUNTAS: ¿Qué nota en las lecturas de temperaturas? ¿Se aprecia alguna tendencia? ¿Dónde ocurre la temperatura más alta? ¿Qué cree que existe más allá del borde rojo del espectro? Discuta cualquier otra observación o problema. OBSERVACIONES PARA EL PROFESOR: Pida a los estudiantes que contesten las preguntas anteriores. Las temperaturas de los colores deben aumentar al avanzar del azul a la parte roja del espectro. La temperatura más alta debe ser la del termómetro ubicado más allá de la sección roja del espectro visible. Ésta es la región infrarroja del espectro. El experimento de Herschel fue importante, no sólo porque condujo al descubrimiento de la luz infrarroja, sino también porque fue la primera vez que se demostró que existen formas de luz que no podemos apreciar con los ojos. Ahora sabemos que hay muchos otros tipos de radiación electromagnética ("luz") que el ojo humano no puede ver (tales como los rayos X, los rayos ultravioletas y las ondas de radio). Quizás desee pedir a los estudiantes que midan las temperaturas en otras áreas del espectro, tales como la zona ubicada un poco más allá del azul visible. También puede realizar el experimento a distintas horas del día; las diferencias entre las temperaturas de los colores pueden cambiar, pero las comparaciones relativas seguirán siendo válidas.

Experimento de Herschel en la banda infrarroja En el año 1800, Sir William Herschel descubrió la existencia de los rayos infrarrojos realizando un experimento muy similar al que mostramos aquí. Herschel hizo pasar luz solar a través de un prisma, lo que produjo la división del haz de luz incidente en un arco iris, que científicamente se denomina espectro. El espectro contiene todos los colores que componen la luz del sol. Herschel estaba interesado en medir la cantidad de calor asociada con cada banda de color. Para ello, utilizó termómetros con bulbos ennegrecidos y midió la temperatura de los diversos colores del espectro. Herschel notó que la temperatura aumentaba a medida que pasaba de los componentes azules del espectro a los componentes rojos. Luego colocó un termómetro un poco más allá de la parte roja del espectro, en una región donde no había luz visible, y descubrió que la temperatura era aún más alta. Herschel razonó que por debajo de la longitud de onda del rojo existía otro tipo de luz que no podía ver y la denominó luz infrarroja. Es muy fácil repetir este experimento. Todo lo que se necesita es un prisma equilátero de cristal, tres termómetros de alcohol, cinta adhesiva, una hoja de papel blanco, y una ventana o una caja de cartón que enfrenten al sol. El costo del prisma que nosotros utilizamos es de unos US$ 7,50 y el de los termómetros, US$ 0,75 cada uno. Para realizar el experimento es necesario ennegrecer los bulbos de los termómetros. Para ello, se cubren los termómetros con cinta adhesiva y después se pintan los bulbos con pintura sin brillo de color negro (esto permite que absorban mejor el calor).

En la imagen anterior se puede ver cómo realizar este experimento al aire libre. Se pone la hoja de papel blanco en el fondo de la caja de cartón y se coloca el prisma en uno de los bordes. El prisma se hace girar hasta obtener una amplia gama de colores en el papel del fondo de la caja y se fija en esa posición mediante la cinta. En nuestro caso, para obtener un buen espectro, tuvimos que levantar el extremo de la caja donde se encontraba el prisma y sostenerlo allí mediante una piedra.

Primero, se toma la temperatura de los termómetros lejos del espectro, en el área de la caja donde hay sombra. La imagen anterior muestra la temperatura antes de colocar los termómetros en el espectro. Los tres marcan 24 °C, que es la temperatura ambiente al aire libre y a la sombra.

Luego, los termómetros se colocan en el espectro: el bulbo de la izquierda; en la parte azul; el bulbo central, en la parte amarilla; y el bulbo de la derecha, un poco más allá de la parte roja del espectro, en la región donde no hay luz visible.

La imagen anterior muestra las lecturas de temperatura después de un minuto, aproximadamente. (Para que las temperaturas alcancen su valor final, se requieren varios minutos.) En menos de un minuto ya se puede apreciar una diferencia de temperaturas. El termómetro en la zona azul del espectro muestra la lectura más baja, apenas más alta que la temperatura ambiente. La zona amarilla del espectro muestra una temperatura mucho más alta que la del azul. El termómetro de la derecha, que está en la región de sombra apenas más allá del rojo, muestra la temperatura más alta de todas. (Cuando se tomó esta imagen, el sol se había desplazado levemente y el bulbo de la derecha aparece ligeramente iluminado por el espectro rojo.)

Las diferencias entre las tres lecturas de temperatura continúan aumentando hasta que se alcanzan las temperaturas finales (mostradas arriba). Se puede ver ahora que el área oscura muestra una temperatura mucho más alta que las áreas que se encuentran en las regiones iluminadas. Las lecturas finales son: azul: 27 °C amarillo: 28 °C infrarrojo: 30 °C Notas: 1. Las diferencias entre las temperaturas registradas en los diferentes colores del espectro varían con el ancho del espectro —el cual depende de la hora del día— y de la distancia al prisma —que es proporcional a la altura de la caja. De cualquier manera, la temperatura tiende a aumentar desde el azul hacia el infrarrojo. 2. Todas las longitudes de onda por debajo de la luz infrarroja se comprimen en una región pequeña, un poco más allá del rojo (vea Conciliación del experimento de Herschel) [página en Inglés]. Para la altura de las cajas de cartón comunes (30 cm), no se observan longitudes de onda solares más allá de unos 4 mm del extremo del rojo, de modo que el termómetro “infrarrojo” se debe colocar junto al borde del espectro observado. 3. Si fuera posible colocar el prisma a mayor distancia del fondo de la caja, el espectro proyectado se alargaría y habría más espacio para explorar la banda infrarroja. Sin embargo, la diferencia en las lecturas del termómetro sería más pequeña, ya que interceptarían menos energía. El experimento de Herschel fue importante, no sólo porque condujo al descubrimiento de la luz infrarroja, sino también porque fue la primera vez que alguien demostró que existía luz que no es posible ver con los ojos. Sabemos ahora que hay

muchos tipos de luz y que los colores visibles son solamente una parte muy pequeña de la gama completa que denominamos espectro electromagnético.