Espectrografía con webcam

Es posible iniciarse en el tema 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.

La Espectroscopía es la rama de la Física dedicada al estudio, clasificación y análisis de los espectros; el espectro más típico y conocido por todos es el arco iris, originado por la descomposición de la luz blanca del sol al atravesar las diminutas gotitas de agua de la lluvia: en este caso vemos un semiarco con siete colores que son rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta, cada una de las diferentes longitudes de onda (colores puros) que el ojo puede distinguir. También se producen espectros cuando miramos un disco compacto (CD-ROM) y vemos "colorines" muy llamativos o incluso cuando la luz atraviesa un vaso de vidrio, formándose una mancha luminosa coloreada sobre un mantel blanco. Todos ellos son espectros: un espectro es, pues, una mancha de luz coloreada originada por la descomposición de la luz blanca en sus diferentes longitudes de onda individuales (colores) al atravesar un medio dispersor apropiado, que puede ser un prisma, una serie de rendijas paralelas (red de difracción o un disco compacto), un orificio pequeño, etc… El estudio de los espectros permite conocer la composición química de una sustancia determinada o saber si en un cuerpo existe un determinado elemento químico: por ejemplo hierro y sodio en la superficie solar , en un planeta o en cualquier estrella distante.

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 Ptas. 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 puedo inentar) 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 4.000 Ptas.) 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.

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.