Espectrografía con webcam (página 2)

Para construir un espectrógrafo es preciso saber
de qué partes está formado y cómo funciona
cada una de ellas; vamos a verlo detenidamente.

En primer lugar tenemos la rendija, que tiene como
misión
mostrar nítidamente las líneas: de lo contrario
éstas son borrones de color; lo mismo
ocurre si la rendija es más ancha de 1-2 mm; puede hacerse
con el filo de dos cuchillas nuevas encaradas dejando entre ellas
una separación igual o inferior a 1 mm: cuanto más
juntas estén más limpio (pero más
débil, dado que penetrará menos luz) será
el espectro obtenido y por el contrario cuanto más ancha
más borrosas serán las líneas y bandas
obtenidas. También puede fabricarse tan grande como se
desee recortándola del fino metal –aluminio– de
una lata de refrescos cualquiera: en este caso podremos emplear
redes de
difracción tan amplias como encontremos en el mercado, y no nos
vemos obligados a fabricar rendijas de sólo 4 cm de
longitud -la dimensión típica de una cuchilla de
afeitar-.

El elemento dispersor de la luz puede ser un prisma
óptico de buena calidad (que
proporciona espectros de inferior calidad, salvo que utilicemos
dos o tres de ellos unidos) o una red de difracción
como el citado filtro fotográfico COSMOS B40 o incluso una
auténtica red comercial: en el mercado
podemos adquirir una de 570 líneas/mm por unas 5.000 Ptas.
en la empresa PHYWE
ESPAÑA, de Madrid (Tfno.:
91-6135155, Fax.:
91-6135062); a simple vista parece una simple diapositiva
fotográfica prácticamente transparente aunque al
mirar a través de ella cualquier fuente de luz -por
ejemplo una lámpara de vapor de mercurio– nos
ofrece un espectro rudimentario: aparecen así varias
imágenes coloreadas adyacentes de la
lámpara, cada una de las cuales corresponde a una
línea simple, un doblete o incluso bandas de
emisión; moviendo un poco el ojo podemos apreciar sin
problemas el
espectro de segundo orden.

Podemos construir un sencillo espectrógrafo con una
caja de cartón o madera
contrachapada de 30-40 mm de anchura, 30-40 de altura y 150-200
mm de longitud; en la parte delantera se instala la rendija y se
fija con pegamento: podemos idear un sistema para
ampliar/reducir la anchura de la rendija con un tornillo de paso
fino y un resorte o bien dejar la rendija con una anchura fija,
como yo siempre he hecho (1 mm de anchura o menos basta para
obtener espectros con líneas nítidas). En el
extremo opuesto a la rendija se instala la red de
difracción y se fija al marco de madera o cartón;
si empleamos el filtro fotográfico hemos de girar
éste un cierto ángulo, tanto mayor cuanto mayor
queramos que sea la dispersión conseguida: podemos montar
el filtro sobre un soporte giratorio y calibrar su ángulo
observando una fuente luminosa de espectro no contínuo (no
sirve una lámpara de incandescencia), por ejemplo una
lámpara de bajo consumo (muy
recomendable) o un fluorescente (menos recomendable, pero
todavía válido): primero ponemos el filtro paralelo
a nuestros ojos, luego miramos el espectro formado y vamos
girando el filtro hasta que el espectro aparezca ancho y
nítido en su máxima calidad: en ese momento fijamos
el filtro con pegamento (el blu-tack es ideal por su limpieza)
para que no se mueva de posición. Si usamos una red de difracción
comercial esta técnica no es precisa: basta con instalar
la red paralela a los ojos para que mirando a través suyo
y ladeando un poco la vista apreciemos el espectro de primer
orden sin problemas o incluso el de segundo orden algo más
débil: el de tercer orden sólo se aprecia en
cuerpos brillantes y parcialmente solapado con el de segundo
orden (el espectro ofrece el color violeta próximo a la
rendija y el rojo más lejano de la misma).

Ahora no tenemos más que apuntar con el
espectrógrafo una lámpara de bajo consumo, acercar
la webcam, ajustar el control de brillo
y contraste y el enfoque de la misma (a veces es preciso acercar
mucho la webcam al espectrógrafo: de lo contrario la luz
se debilita) hasta que en el monitor
aparezan las líneas: en ese momento ya tenemos el aparato
listo para trabajar en sus primeras experiencias. No es
difícil empezar a obtener espectrogramas: 3-4 minutos
bastan para obtenerlos, aunque éstos deben grabarse en
disco para procesarlos después (acentuar la ganancia, el
contraste, el brillo, invertir los colores,
ampliarlos a base de "estirarlos", etc…) y estudiarlos
cómodamente. Muy útil es un "estiramiento" digital
en sentido vertical, que nos convierte los "puntos gordos" en
líneas, más fáciles de identificar, medir,
comparar, etc… y que no altera en lo más mínimo
el espectro original.

Dada la pequeña abertura de la rendija (ya que no hemos
empleado ningún sistema óptico para recolectar luz)
sólo podremos observar espectrogramas de cuerpos
brillantes tales como lámparas de incandescencia (espectro
contínuo), lámpara de bajo consumo (espectro de
emisión con líneas y bandas), fluorescente
(espectro de emisión de líneas, por ejemplo las del
mercurio), el Sol (espectro
contínuo con líneas de absorción), el
fósforo de monitores de
TV (espectro casi contínuo, salvo en la parte roja donde
el fósforo empleado presenta líneas de no
emisión), la lámparita de argón que contiene
la luz nocturna de los niños
(o el pilotito de algunos pulsadores de la luz) y otros muchos
con un poco de cuidado e imaginación. Aquellos que desde
su casa puedan ver tubos de descarga de gases de los
rótulos publicitarios comprobarán que éstos
emiten líneas totalmente diferentes los unos a los otros:
es debido a que unos utilizan helio, otros argón, otros
vapor de mercurio o de sodio, etc… dependiendo del color que se
desee emitir con el mismo.

Con un espectrógrafo casero basado en una red de
difracción comercial (570 líneas/mm) el autor
obtiene sin problemas espectros de baja resolución
en de lámparas, fluorescentes, luces del alumbrado
público (mercurio y sodio mayoritariamente) e incluso el
solar de absorción: en este último caso la finura
de las líneas y el excesivo brillo del contínuo
coloreado dificulta obtener resultados tan impactantes y
rápidos como con lámparas domésticas, pero
con un poco de cuidado y ajustando la ganancia, el contraste y el
color de la webcam se pueden apreciar las líneas
más intensas (oscuras en este caso): las del hidrógeno (en el violeta y el rojo), la del
sodio (en el color amarillo: este doblete es difícil,
salvo que el poder
dispersor sea grande), así como algunas en el color rojo
extremo debidas al hidrógeno y vapor de agua
atmosférico.

No es fácil acoplar el espectrógrafo al ocular
del telescopio, por lo cual tampoco es fácil observar
espectros de cuerpos celestes tales como la Luna (un espectro
similar al solar, ya que es simple luz solar reflejada), el de
Venus o el de alguna brillante estrella… no obstante, cuidando
el montaje y ajustando la ganancia de la webcam al máximo
sería factible obtener, en principio, los espectros de las
brillantes estrellas Sirio, Vega o Arturo con algunas de sus
principales líneas espectrales. De momento no los he
obtenido, aunque estoy en ello.

El espectro más espectacular es, sin duda, el de una
lámpara doméstica de bajo consumo: visualmente la
luz que emite tiene un tono agradable, cálido, entre
blanca y crema; con la ayuda del espectrógrafo comprobamos
que este fenómeno se produce porque la dos líneas
de emisión más brillantes son verde y roja las
cuales (por síntesis
de color) dan amarillo; si añadimos una banda anaranjada
(formada por una media docena de finas líneas muy
apretadas) y un trío de líneas algo más
débiles (una azul cielo, otra azul más oscuro y una
violeta) podemos imaginar el resultado: blanco casi
melocotón… El espectro obtenido por la webcam es muy
pobre si lo comparamos con el que visualmente soy capaz de
registrar: en la mejor de mis imágenes digitales apenas si
puedo contar 7-8 líneas en el espectro de segundo orden (a
la izquierda del todo la rendija, en el centro el espectro de
primer orden y a la derecha espectro de segundo orden con
líneas y bandas) que es el más amplio y definido:
una violeta, una añil, otra azul cielo, una verde muy
intensa, una banda anaranjada débil (formada por varias
líneas muy próximas mal resueltas) y una roja
intensa; visualmente la verde se desdobla en dos, en la zona
anaranjada aparecen hasta seis y en el color rojo no menos de
cinco de diferentes brillos, anchuras y posiciones.

Si apunto con el espectrógrafo a un led verde claro (el
del propio monitor me sirve) compruebo que es un espectro
contínuo similar al de una lámpara de
incandescencia, en el cual no hay líneas ni bandas de
emisión: sólo un arco iris que va desde el violeta
profundo (a la izquierda) hasta el rojo profundo (a la derecha)
pasando por el añil, azul, verde, amarillo y naranja.

Sin embargo una lámpara naranja de alumbrado nocturno
es otra cosa: dado que la luz corresponde al vapor de
sodio (a alta presión)
el espectrograma obtenido no es contínuo, sino de
emisión con líneas; aparecen así diferentes
imágenes de la lámpara cada una de las cuales
dibuja una línea de emisión; para comprobarlo monto
delante del objetivo de la
cámara la red de difracción y ajusto el enfoque a
infinito, apuntando acto seguido a una de las farolas que veo
desde casa situadas a unos 25-30 metros de distancia: compruebo
que en el monitor aparecen claramente imágenes de la
lámpara de color violeta, añil, azul, verde
profundo, verde claro, amarillo, naranja y rojo además de
un contínuo algo más débil en la zona
anaranjada y rojiza que no logro resolver; éstas son las
8-10 principales líneas de emisión de la
lámpara de vapor de sodio, aunque son visualmente son
bastante más. Curiosamente en la zona de emisión
del vapor de sodio (amarillo) aparece una línea de
absorción muy marcada, quizá debido a una
auto-absorción…

Si ahora apunto a otra farola de luz blanco-verdosa, que
corresponde el vapor de mercurio, compruebo que
sólo aparecen tres imágenes nítidas de la
bombilla: una verdosa-azulada, otra verde y otra roja (en
realidad visualmente tanto la verde como la roja son dos
imágenes muy próximas, lo cual indica que se trata
de un doblete: dos líneas bastante cercanas casi fundidas)
cuya luz conjunta sería blanca con ligeros tintes
azulado-verdosos debido al desigual brillo de las líneas
que lo componen; no aparecen bandas (supongo que debidas a la
baja presión del gas) ni
líneas en otros colores o, al menos con este sistema tan
rudimentario, yo no las aprecio. Al apuntar a una lámpara
más próxima (unos 25 m) veo e incluso resuelvo un
fino doblete en el amarillo (cuyas líneas están
separadas por 2.1 nm), a la vez que el número de
líneas en el rojo aumenta (sin embargo el mercurio no
emite en el rojo: probablemente se deban a algún tipo de
fósforo empleado para enriquecer la zona roja de su
espectro).

Cuando necesito obtener espectrogramas de resolución
media tengo que utilizar ya el espectro de segundo orden:
esto me proporciona imágenes con mayor resolución,
un espectro más amplio pero, lamentablemente, bastante
más débil; esta técnica sólo es
aplicable en las lámparas que brillan bastante por estar
próximas y no se puede utilizar en todas las
lámparas de alumbrado nocturno visibles desde mi casa. Con
esta montaje he podido comprobar que algunas líneas
simples son en realidad dobletes, así como llegar a intuir
algunas débiles líneas más que por su
debilidad sólo son presuntas candidatas. Utilizando el
espectro de segundo orden la luz solar -o incluso la del cielo,
en zonas cercanas al sol- es capaz de ofrecerme 10-20
líneas oscuras sobre un contínuo coloreado, a la
vez que la línea del sodio queda resuelta si la anchura de
la rendija no es elevada: en este caso puedo ver dos
finísimas líneas muy juntas (en realidad una dista
de la otra sólo 0.597 nm).

Para obtener espectrograma de alta resolución y
buena calidad -siempre dentro de mis posibilidades- utilizo un
sistema óptico que me amplifique la imagen del objeto
luminoso a la vez que me captura más luz: en mi caso
utilizo unos gemelos de 8 aumentos (cuyo objetivo mide 21
mm de diámetro: el tamaño justo para ser cubierto
completamente por la red) instalado sólidamente sobre el
tubo óptico del telescopio; éste me sirve de mero
soporte sólido y no interviene para nada en el espectro;
una vez fijados los gemelos sobre el tubo con blu-tack
(especie de masilla sintética azul empleada para colgar de
la pared carteles pequeños) instalo delante de uno de los
objetivos la
red de difracción y la aseguro también al tubo del
telescopio con blu-tack; moviendo el telescopio apunto a la
lámpara de sodio y enfoco ahora la misma con el mando de
enfoque de los gemelos hasta verla nítida. Al mover el
conjunto óptico lentamente hacia el cenit (empleando la
montura del telescopio) puedo estudiar el brillante espectro de
primer orden sin problemas, con una buena resolución y
limpieza; asegurando ahora la webcam al ocular de los gemelos
(pegándolo con blu-tack al telescopio) capturo las
líneas con toda facilidad.

Mis últimas experiencias están encaminadas a
unir la webcam a los prismáticos primero y al telescopio
después para apuntar a los astros más brillantes
del firmamento (Luna, Venus, Arturo): lo mismo con un poco de
suerte puedo mostrar en un artículo futuro las principales
líneas de absorción de algunas estrellas o planetas.
Espero que así sea y pronto pueda elaborar un nuevo
artículo con espectaculares imágenes a todo
color.

Por último, ¿cuál es el poder
resolutivo del sistema?; en teoría
este no debe ser muy elevado dado que no usamos una red demasiado
profesional, el sistema óptico no es de primera calidad ni
los ajustes en los elementos son finos. Podemos determinarlo de
modo aproximado si observamos el espectro de una lámpara
de vapor de mercurio: en ella aparecen 6 líneas muy
definidas, de las cuales cuatro son dobletes; en efecto, en la
zona violeta aparece un doblete (404.7 y 407.8 nm) separados por
3.1 nanómetros mientras que en la zona amarilla aparece
otro doblete (577.0 y 579.1 nm) separados por sólo 2.1
nanómetros. Pues bien, incluso a simple vista (empleando
el espectro de primer orden) aprecio claramente ambos dobletes;
con la webcam es fácil resolverle empleando unos gemelos
de 8 aumentos delante de los cuales instalo la red de
difracción: puedo alcanzar así una
resolución de 0.22 nm/pixel en aquellas
lámparas más cercanas. La "prueba de fuego"
sería poder desdoblar el doblete del sodio (589.592 nm y
588.995 nm) cuyas líneas están separadas por
sólo 0.597 nm; para ello necesito un montaje especial que
me hago del siguiente modo: en un folio de papel fuerte pego una
lámina de papel de aluminio y en ella recorto, con
infinito cuidado, una rendija de 30 mm de longitud con una
anchura de 1 mm. Ahora no tengo más que examinar la luz
solar con la red disminuyendo la luz recibida al examinarla a
través de la rendija: empleando el espectro de primer
orden veo casi una docena de finas líneas y aprecio una
"línea gorda" en la zona del doblete del sodio, mientras
que ésta queda perfectamente resuelta (¡dos finas
líneas muy pegaditas!) con el de segundo orden; el
espectro solar me muestra una buena
cantidad de finas líneas en la zona verde (debido al
magnesio) así como el azul, sin olvidar una línea
en la zona roja debida al hidrógeno.

En resumen: una incursión en el campo de la Física atómica
y molecular que no necesita de grandes medios ni
dispendios económicos elevados.

LÁMPARA DE VAPOR DE SODIO

En mayo y junio del 2000 he estudiado a fondo las
lámparas de alumbrado de vapor de sodio y mercurio; la
técnica básica que empleo
está descrita en otro artículo anterior (publicado
a mediados de junio del 2000), de modo que no me entretengo en
indicarla y la doy por supuesta. Después de obtener
abundantes espectrogramas (unos a baja resolución, otros
con media y algunos con bastante alta resolución) he
llegado a nuevas (julio del 2000) e interesantes conclusiones que
plasmo aquí, algunas de ellas verdaderamente curiosas.

En otro artículo HTM anterior (Espectroscopía
I) hablé en profundidad de cómo se podía
construir un espectrógrafo digital a bajo precio,
técnica que resumo brevemente: el mío está
construido con una red de difracción (por ejemplo
con el filtro fotográfico COSMOS B40 o incluso una
auténtica red comercial: en el mercado podemos adquirir
una de 570 líneas/mm por unas 5.000 Ptas. en la empresa PHYWE
ESPAÑA, de Madrid, Tfno.: 91-6135155, Fax.: 91-6135062) la
cual instalo y fijo delante de la webcam. Cuando apunto con este
montaje a una lámpara de bajo consumo, ajusto el control
de brillo, el contraste y el enfoque logro que en el monitor
aparezan las líneas más brillantes de
emisión o absorción; en ese momento ya tenemos el
aparato listo para trabajar en sus primeras experiencias. Tal y
como he comprobado no es difícil empezar a obtener
espectrogramas: 3-4 minutos bastan aunque éstos deben
grabarse en disco para procesarlos después (acentuar la
ganancia, el contraste, el brillo, invertir los colores,
ampliarlos, etc…) y estudiarlos cómodamente. Muy
útil es un "estiramiento" digital en sentido vertical, que
nos convierte los "puntos gordos" (originados por la imagen de la
bombilla, cuando la lámpara está lejana) en
líneas, más fáciles de identificar, medir,
comparar, etc… y que no altera en lo más mínimo
el espectro original.

¿Cómo puede un átomo
producir una línea espectral muy nítida?: porque
emite (o absorbe) energía de una frecuencia nu muy
determinada; de este modo si un átomo es excitado por un
cuanto de la energía adecuada puede que uno de sus
electrones exteriores -los de las órbitas internas no
participan en este juego– tome la
energía y salte a un nivel superior, en donde se
mantendrá unos instantes; como este estado excitado
no es natural en el átomo, el electrón
tenderá a retornar a su nivel usual de
energía emitiendo un fotón que se lleve esta
energía excesiva: se produce la emisión de luz. Un
espectroscopio registrará esta emisión como una
fina línea luminosa coloreada, con una posición en
el espectro -longitud de onda- muy determinada y siempre la
misma: esta longitud de onda se mide en nanómetros
(nm) que equivale a 10 Ã…ngströms, la
unidad que se empleaba antiguamente: así una línea
que tuviese una longitud de onda de 5150 Ã… en el
sistema antiguo equivale ahora a 515.0 nm. Otro modo de medir y
cuantificar este salto es preguntarnos qué energía
necesita el átomo para emitir este fotón: esta
energía se puede medir en electrónvoltios,
abreviada eV, equivalente a 1.602×10-13 J.
Según este modelo un
átomo como el hidrógeno emite ciertas líneas
con una posición bien marcada, pero nunca en posiciones
intermedias debido a que los saltos ocurren de unos niveles de
energía a otros, pero no existen niveles intermedios (la
energía está cuantificada); así cada
línea espectral corresponde a un salto de nivel: como
existen variados niveles energéticos, el átomo
emite diferentes líneas, tantas más cuantos
más niveles existan (algunas son invisibles, por ocurrir
en zonas del espectro electromagnético indetectables por
el ojo: la zona ultravioleta o la infrarroja, por ejemplo). En un
gas excitado (bien por calor o por
electricidad)
los átomos emiten fotones, cada uno de ellos
correspondiente a los diferentes saltos entre niveles; un gas no
excitado puede absorber fácilmente estos mismos fotones
desapareciendo, por tanto, estas líneas espectrales: se
produce un espectro de absorción que será
inverso (negativo) al de emisión.

Con este espectrógrafo casero basado en una red de
difracción comercial el autor obtiene sin problemas
espectros de baja resolución de lámparas de
alumbrado nocturno, fáciles de conseguir (gratis en
realidad: lo que ya es más difícil, casi imposible,
es comprar una lámpara de vapor de sodio… al menos en
Cáceres no es factible y el Ayuntamiento no es muy dado a
venderlas o indicar dónde las adquire…) y baratas de
mantener, dado que en realidad están toda la noche
encendidas ofreciendo el espectro en cualquier momento de la
madrugada.

La luz naranja emitida por ciertas lámparas (existente
en casi todas las ciudades) corresponde al vapor de sodio:
el espectrograma obtenido no es un espectro
contínuo, (como el de las fuentes
incandescentes, el Sol y las bombillas normales) sino que es un
espectro de emisión con líneas y un
contínuo en la parte roja; al apuntar con el
espectrógrafo digital a una de estas lámparas (en
realidad cada farola contiene 2: de este modo puedo comparar, dos
a dos, los espectrogramas y descubrir cosas interesantes en ellos
o incluso comprobar si esa débil línea existe
realmente o no) aparecen así diferentes imágenes de
la lámpara cada una de las cuales dibuja una
línea de emisión. Para obtener estos
espectrogramas a baja resolución instalo delante del
objetivo de la cámara la red de difracción y ajusto
el enfoque a infinito, apuntando acto seguido a una de las
farolas que veo desde casa: aparece entonces un espectro de
primer orden que capturo con la webcam enfocando con ella en
la zona de líneas coloreadas; compruebo que en el monitor
aparecen claramente imágenes de la lámpara de color
violeta, añil, azul, verde profundo, verde claro,
amarillo, naranja y rojo además de un contínuo algo
más débil en la zona rojiza que no logro resolver;
éstas son las 8-10 principales líneas de
emisión de la lámpara de vapor de sodio, aunque
visualmente son algunas más. Curiosamente en la zona
típica de emisión del vapor de sodio (amarillo)
aparece una línea de absorción muy marcada
que, en teoría, no debería existir…

Cuando necesito obtener espectrogramas de resolución
media tengo que utilizar ya el espectro de segundo
orden, que capturo moviendo ligeramente el cabezal de la
webcam y enfocándole: este espectro me proporciona
imágenes con mayor resolución pero,
lamentablemente, bastante más débiles; por ello
esta técnica sólo es aplicable en las
lámparas que brillan bastante (es decir, que están
próximas) y no se puede utilizar en todas las
lámparas de alumbrado nocturno visibles desde mi casa. Con
esta técnica he podido comprobar que algunas
líneas simples son en realidad dobletes,
así como llegar a intuir algunas débiles
líneas más que por su escaso brillo sólo son
presuntas candidatas. He comprobado que cuanto más
próxima están las farolas mayor longitud
(número de pixels en el monitor), brillo y
resolución se obtiene en el espectrograma final, de modo
que es deseable emplear lámparas cercanas.

Para obtener espectrograma de alta resolución y
buena calidad -siempre dentro de mis posibilidades- utilizo un
sistema óptico que me amplifique la imagen del
objeto luminoso a la vez que me captura más luz: en mi
caso utilizo unos gemelos de 8 aumentos (cuyo objetivo
mide 21 mm de diámetro: el tamaño justo para ser
cubierto completamente por la red) instalado sólidamente
sobre el tubo óptico del telescopio; éste me sirve
de mero soporte sólido y no interviene para nada en el
espectro; una vez fijados los gemelos sobre el tubo con
blu-tack (especie de masilla sintética azul muy
empleada en oficinas) instalo delante de uno de los objetivos la
red de difracción y la aseguro también al tubo del
telescopio con blu-tack; moviendo el telescopio apunto a la
lámpara de sodio y enfoco ahora la misma con el mando de
enfoque de los gemelos hasta verla nítida. Al mover el
conjunto óptico lentamente hacia el cenit (empleando la
montura del telescopio) puedo estudiar el brillante espectro de
primer orden sin problemas, con una buena resolución y
limpieza; asegurando ahora la webcam al ocular de los gemelos
(pegándolo con blu-tack al telescopio) capturo las
líneas con toda facilidad. El sistema óptico es tan
luminoso (Foto 1) que la webcam puede ver sin problemas las
líneas que antes, pese a emplear el espectro de segundo
orden, no llegaba ni a imaginar por su debilidad: de este modo en
la zona amarilla del espectro aparece una mancha
amarillo-anaranjada sobre la cual, nítida y muy oscura,
aparece una línea que debería corresponder al
conocidísimo doblete del sodio (589,592 nm y
588,995 nm, visible incluso en el espectro solar), mientras que
la línea que antes apenas si podía adivinar en la
parte roja del espectro ahora destaca en toda su brillantez;
incluso es posible adivinar un doblete no muy cerrado en la zona
amarilla que no corresponde al sodio. Si muevo un poco más
los gemelos y apunto al espectro de segundo orden
compruebo asombrado que las líneas continúan
viéndose perfectamente mientras que la resolución
es doble, aunque ahora aparecen algo más oscuras que
antes: el doblete amarillo se aprecia perfectamente con
líneas finamente separadas.

Con este sistema es facilísimo obtener rutinariamente
espectros de estas lámparas de vapor de sodio y mercurio,
y eso es lo que he estado
haciendo durante todo el mes de junio y parte de julio: ha sido
una suerte que cada farola contenga dos lámparas, pues de
este modo es fácil comprobar que los dos son
idénticos, aunque no siempre (pero ese tema lo dejo para
más tarde). Un espectrograma normal muestra la zona
violeta del espectro a la izquierda, quedando la roja a la
derecha: la resolución es tan elevada (podemos hablar
cómodamente de 0,22 nanómetros/pixel si
empleamos el espectro de primer orden) que las líneas
aparecen claramente definidas, cada una con una intensidad,
coloración y posición muy claras. Sólo las
líneas más débiles no llegan a quedar
plasmadas con facilidad, necesitando aumentar el brillo, el
contrarte o la ganancia de la webcam (en este caso las
líneas más brillantes aparecen engrosadas,
saturadas y con los colores falseados). Como es natural cada una
de las líneas queda representada por una imagen de la
lámpara, en la cual es factible ver -si no está
sobreexpuesta- el filamento interno (más brillante)
así como la envoltura de vidrio o la parte
interna -reflector- de la misma.

El espectro de esta lámpara de vapor de sodio muestra
en la zona violeta 2 líneas evidentes y 1 añil (con
buenas imágenes las dos violetas son en realidad dos
dobletes y una línea simple cada una mientras que la
añil es otro doblete), una azul cielo, otra verde-azulada,
una amplia zona oscura sin líneas, otra línea verde
oscura, una brillantísima línea verde esmeralda, un
doblete amarillo, una brillante mancha amarillenta-anaranjada
dividida en dos por una línea muy oscura (que corresponde
en realidad al doblete de emisión del sodio, doblete de
absorción en este caso) y luego un contínuo
rojizo en el cual aparece una única línea roja…
en total llego a contar 11-12 líneas de emisión y 1
de absorción. Mis imágenes parecen apuntar a que
algunas de ellas son dobletes muy cerrados (sobre todo las
añiles y violetas), aunque no puedo asegurarlo
todavía.

Curioso ha sido comprobar, al comparar espectros (Foto 2) que
una lámpara aparentemente idéntica a las
demás emite algunas -pocas- líneas diferentes que
podíamos llamar líneas anómalas: pude
comprobar con el espectrograma en la mano que esa lámpara
-no sé por qué motivo- presenta una brillante
línea en el verde y otra en el violeta lejano que las
demás no ofrecen; cuando superpongo el espectro de ambas
lámparas y le resto uno al otro me quedo con la
diferencia: una intensa línea verde y otra violeta
brillante… Si estudio con buena resolución la zona de la
línea verde compruebo que todas las lámparas -salvo
la "rara"- presentan en la misma posición un doblete
débil de la misma intensidad, pero que sin embargo la
lámpara "rara" muestra una de las líneas del
doblete más brillante, mientras que la otra línea
simplemente no existe o se ha debilitado mucho. ¿A
qué puede ser debido? Misterio por el momento; lo que
sí es cierto es que después de un completo análisis he comprobado que estas dos
líneas brillantes (pertenecientes al mercurio, como
comprobé mucho más tarde el calibrar correctamente
la escala) no son
más que "reforzamientos" de líneas existentes en
otras lámparas, más intensas y marcadas que las de
las demás; he comprobado que cuando al caer la tarde ambas
lámparas se encienden la "rara" presenta una luz
más blanca, color que creo justificado por una
línea violeta y otra verde las cuales tienden a "azulear"
la luz de la misma. (Posteriormente he comprobado que este
fenómeno sólo se repite a intervalos aleatorios…
¿Depende de la temperatura,
de la presión, del tiempo que
lleve conectada?, ¿es cíclico?… todavía me
queda mucho por aprender).

¿Cómo es posible que la lámpara de vapor
de sodio emita tantas líneas?: la respuesta no es
fácil; en principio el vapor de sodio emite una brillante
línea amarilla (en realidad un doblete cerrado) que
corresponde a la transión de niveles 3p a 3s en los
589,6 y 589,0 nm; otro doblete aparece en la transición
5s a 3p en la zona de los 616,1 y 615,4 nm (luz roja
anaranjada), otro más en la transición 4d a
3p en los 568,8 y 568,3 nm (verde esmeralda), otro doblete en
la transición 6s a 3p en los 515,4 y 514,9 nm
(verde-azulado), otro doblete más en la
transición 5d a 3p de los 498,3 y 497,9 nm (azul
cielo) y el último doblete en la transición 6d a
3p en los 466,9 y 466,5 nm (añil). Todas estas
transiciones se deben a que contiene 11 electrones que se
disponen del siguiente modo: 2 en el orbital s de la
primera capa K (que corresponde al nivel
fundamental), 8 en la segunda capa L(repartidos del
siguiente modo: 2 en el orbital s y 6 en el orbital
p) y el último electrón (electrón de
valencia) queda solo en el orbital s de la tercera
capa M. Los 10 primeros electrones no intervienen para
nada en el espectro, dado que están dentro de capas
saturadas; es la excitación/desexcitación de
este único electrón la que origina, por subida y
caída a cualquiera de los niveles inferiores (o incluso el
nivel fundamental) las diferentes líneas espectrales, cada
una de las cuales contiene una energía (color o longitud
de onda) muy determinada. Podemos comprobar que todas estas
líneas son, en realidad, dobletes y que la
separación entre línas dentro del doblete es de
0.7-0.4 nm como mucho: esto es debido a que el electrón
puede poseer un spin de +1/2 o -1/2 y que la diferente
orientación de éste causa la ligera diferencia de
energía entre las líneas del doblete.

¿Por qué cada transición tiene un color
determinado?: porque se efectúa desde niveles de diferente
energía; por ejemplo el salto del nivel 3p a 3s posee
más energía que el salto del nivel 5s a 3p, dado
que el primero emite fotones amarillos mientras que el segundo
los emite rojos (de la fórmula E = h x nu deducimos
que los fotones rojos poseen menos energía que los
amarillos, los verdes o los violetas). Para que se realice un
salto o un descenso entre estos niveles se necesita la
energía apropiada.

¿Cómo se explica la línea de
absorción en la zona amarilla del espectro, línea
que en una lámpara de laboratorio es
de emisión?; es fácil de deducir: cualquier
lámpara de gases empleada
en un laboratorio posee una presión interna muy reducida
(cerca de 0,02 atmósferas) mientras
que la bombilla de vapor de sodio presenta una presión de
1,5 atmósferas, como he averiguado recientemente. En ambos
casos los átomos del sodio son excitados por la
electricidad, pero en el primer caso al existir tan pocos
átomos que colisionen en el interior en la lámpara
(recordemos que la presión es muy baja, y que la
presión no es más que la colisión de
partículas contra las paredes del recipiente) los
átomos pueden excitarse y emitir luz amarilla al
desexcitarse, pudiendo escapar estos fotones de la lámpara
sin ser absorbidos por otros átomos; por el contrario en
el interior de la lámpara del alumbrado nocturno la
presión es 75 veces superior (hay, por tanto,
muchísimos átomos y el recorrido libre medio antes
de colisionar con otro átomo es muy corto) por lo cual es
muy difícil que un fotón recién emitido
llegue a salir de la lámpara: lo más normal es que
nada más emitirse choque contra otro átomo no
excitado y sea absorbido casi al instante (este fenómeno
se denomina auto-absorción). Esto explica la
línea de absorción en la radiación
más típica del sodio: la del color amarillo. Ahora
bien, mis espectrogramas muestran que ambos lados de la zona
amarilla en donde no hay emisión sí aparecen sendas
zonas de brillante color amarillo y naranja; ¿por
qué es esto así?: la respuesta radica en que al
chocar los átomos violenta y frecuentemente unos contra
otros es posible que el átomo emita con un poco más
de energía adicional sobre la que ya tiene habitualmente,
por lo cual la longitud de onda de la línea será
algo más anaranjada o algo menos amarilla, dependiendo de
la energía del choque. Al no ser exactamente igual esta
energía a la de la línea amarilla estos fotones no
pueden ser absorvidos (su energía es diferente), con lo
cual escapan y aparecen sendas zonas brillantes a ambos lados de
la zona oscura: es cuestión de estadística de partículas y de la
energía media de colisión.

 ¿Cuál es el poder resolutivo del
sistema?; en teoría no debe ser muy elevado dado que no
usamos una red demasiado profesional (sólo son 570
líneas/mm), el sistema óptico no es de primera
calidad (sería mejor emplear unos prismáticos o
incluso un telescopio como objetivo óptico) ni los ajustes
en los elementos son finos. La resolución R de una
red puede calcularse a partir de la fórmula R = 1 : (N
m) en donde N es el número de líneas/mm
y m el orden del espectro empleado; mis cálculos
indican que para el espectro de primer orden mi red tiene
entonces: R = 1 : 570 de donde R = 0.0017543. Si empleo el
espectro de segundo orden esta resolución queda: R = 1 :
(570 x 2) de donde R = 0.000877. Bien pero,
¿qué dobletes podemos resolver,
¿desdoblaremos el del mercurio? Para saber cuál es
la separación de un doblete determinado aplicamos la
fórmula S = D l : l en donde D l es la
diferencia de posición de las líneas y l la
posición del mayor de ellos; de este modo si tenemos que
el doblete del mercurio presenta líneas a 579.1 y 577.0
nm, operando tenemos: S = (579.1 – 577.0) : 579 de donde S =
0.0036; como el poder resolutivo de la red es inferior (0.0036
> 0.0017543), quedará perfectamente resuelto incluso
con el espectro de primer orden. Sin embargo el doblete del sodio
no es tan fácil, pues tenemos una línea a 589.59 y
la otra a 589.00 nm, con lo cual la separación es: S =
0.001001 y esto nos indica que no se puede resolver con el
espectro de primer orden (0.001001 < 0.0017543), pero
sí con el de segundo orden (0.001001 > 0.000877).

Mis cálculos indican que, empleando el espectro de
primer orden, mi red debe proporcionar un poder resolutivo
teórico de 1.0367 nm mientras que si empleo el
espectro de segundo orden este poder sube a los 0.518 nm:
suficiente para resolver el doblete del sodio (líneas
separadas 0,597 nm: de hecho al estudiar el espectro solar con el
primer orden el doblete del sodio se aprecia como una
"línea gorda"); al consultar obra de óptica
compruebo que para resolver el doblete del sodio es preciso
emplear, al menos, una red de 500 líneas/mm trabajando con
el espectro de segundo orden (o bien una red de 1.000
líneas/mm si se utiliza el de primer orden.) Necesitaba
verificarlo en la práctica: observando visualmente el
espectro de primer orden de la lámpara de vapor de
mercurio (a través de los gemelos de 8 aumentos)
llegué a resolver sin problemas su doblete amarillo (577.0
nm y 579.1 nm): podía separar 2.1 nm con facilidad e
incluso hubiese vista líneas separadas por la mitad de
esta distancia (1.05 nm) y bastante más si hubiese
trabajado con el de segundo orden; mis cálculos y la
observación cuadraban muy bien. Cuando
mucho más tarde logré calibrar la escala y ponerla
a prueba con el doblete amarillo del mercurio comprobé que
mi monitor me ofrecía una resolución
práctica de 0.218 nm/pixel: en mis imágenes
se puede apreciar bastante claramente el doblete (2.1 nm)
separado por 10 pixels, mientras que el doblete del sodio (0.597
nm) no llega a desdoblarse al estar representado sólo por
3 pixels; probablemente empleando el espectro de segundo orden
pueda resolverlo. El que la escala en el monitor sea inferior al
poder resolutivo (0.218 nm/pixel < 1.0367 nm) no quiere decir
que resuelva mejor, sino que una misma longitud queda
representada por más pixels en el monitor y, por tanto, es
más cómodo de visionar y medir con respecto a una
escala; si en vez de disponer de 10 pixels para separar las
líneas del mercurio hubiese tenido sólo 3 me
hubiese visto apurado para desdoblarla o medirla, ya que
bastaría tener un poco borroso el espectrograma (o
ligeramente sobreexpuesto) para que ambas se fundiesen en una
sola. Con la escala actual (para el espectro de primer orden) el
poder resolutivo teórico queda cubierto por 5 pixels.

Para analizar en profundidad el espectro, calibrar su escala e
identificar adecuadamente todas y cada unas de las líneas
(y el elemento que las producía) debía empezar por
suponer que las principales líneas serían
producidas por el sodio: de este modo la línea de
absorción en el amarillo, la línea roja y la
línea verde situadas alrededor de este claro jalón
me podrían servir como referencia; cuando consulté
el espectro teórico del sodio comprobé que tanto la
verde, como la de absorción amarilla y a roja
parecían estar en los lugares esperados: ya tenía
situadas las tres primeras líneas del sodio. Este elemento
produce, además, otra intensa línea en la zona azul
cielo y una más en el añil: las dos
aparecían intensas en mis espectrogramas. Pese a todo
necesitaba crear y calibrar una escala (Foto 1) en la cual
pudiese medir, con la mayor precisión, la longitud de onda
de las líneas y comprobar si eran o no las que
suponía; para ello situé el origen de mi escala en
la línea roja del sodio (616.1 nm) y el final de la misma
en la línea verde (568.8 nm): conté los pixels que
había entre ellas (217) y dividí la diferencia de
longitud de onda (47.3 nm) entre este número de pixels; la
escala resultante sería entonces de 0.2179723502 nm/pixel.
Acto seguido prolongué la escala hasta abarcar el extremo
violeta y contando los pixels hice marcas mayores a
intervalos de 100 pixels: me servirían para tener una
escala aproximada; acto seguido dividí toda la escala a
intervalos de 20 pixels para poder conocer con la mayor
precisión la posición de todas las líneas.
Finalmente moví toda la escala hasta que una de las marcas
mayores (que rotulé como 568.8 nm) quedó
exactamente sobre la línea verde del sodio: a partir de
ella calcularía el resto de las marcas sabiendo que 100
pixels eran 21.797 nm y que 20 pixels equivalían a 4.359
nm; de este modo la primera marca del color
rojo extremo empezaba en los 612.39 nm mientras que la
última marca, en el violeta, terminaba en los 416.22 nm:
mis espectrogramas tenían estos límites
extremos.

Empleando las marcas mayores como jalón, y las
pequeñas como referencia fina, fui midiendo todas y cada
unas de las líneas del espectrograma: en ocasiones fue
preciso afinar en la medición y contar, uno a uno, los pixels;
con este sistema podía estimar la posición de cada
línea con centésimas de nanómetro si era
preciso; pero todavía era necesario comprobar que mi
escala estaba perfecta y no era una simple quimera: para ello
medí las líneas que rodeaban a la amarilla -de
absorción- obteniendo las siguientes longitudes de
onda:

Y las comparé acto seguido con las conocidas del vapor
de sodio, obteniendo el siguiente resultado:

De esas 6 líneas (dos de ellas un doblete amarillo
bastante cerrado) 3 parecían pertenecer al sodio con un
error de 0.3-0.1 nm: parecía que mi escala estaba bien
calibrada; sin embargo era posible (aunque no deseable) que al
extender mi calibración fuera de esta zona existiese un
error, y que éste fuese creciendo conforme me separaba de
la zona conocida en dirección al color violeta. Dado que el
sodio emite dos líneas más, una en el color azul
(498.3 nm) y otra en el violeta (466.9) nm), extendí mi
escala hasta esta zona; al hacer las pertinentes mediciones
obtuve una nueva tabla con más líneas bien
medidas:

La tabla me indicaba que había medido todas las
líneas del sodio con un error máximo de 0.5 nm (en
la zona violeta) mientras que el resto de las líneas
presentaban un error máximo de 0.3-0.1 nm.
Conclusión provisional: la lámpara contiene vapor
de sodio. Segunda conclusión provisional: existe otro
elemento químico que produce también líneas.
Era preciso comprobar este punto e identificar, si era posible,
ese elemento químico. Haciendo suposiciones razoné
así: dado que el vapor de mercurio se emplea en
fluorescentes y otras lámparas de alumbrado nocturno (cuyo
color es blanco con ligeros tonos azul-verdosos), ¿por
qué no suponer que al sodio le han añadido algo de
vapor de mercurio para "azulear" su luz naranja? Tenía que
comprobarlo con pruebas de
peso. Al estudiar la bibliografía sobre el vapor
de mercurio comprobé que este elemento emite dos
líneas violetas (405 y 435.6 nm), una verde (546.1 nm) y
finalmente un curioso doblete amarillo (579.1 y 577.0 nm); al
medir nuevas líneas y comprobar estos números con
mi tabla obtuve estos datos:

Tercera conclusión preliminar: las principales
líneas espectrales capturadas son compatibles con el
modelo "vapor de sodio+vapor de mercurio" dentro de un error
máximo de 0.87 nm (Foto 2), diferencia que incluso puede
provenir de un mal calibrado o una mala medición en la
posición.

Sin embargo pese a que 9 líneas están
identificadas con claridad todavía me quedan algunas
más en la zona violeta, añil y verde que no logro
casar con ninguno de estos elementos, y que pudieran provenir de
algún tipo de fósforo (recordemos que en las
lámparas de vapor de mercurio se añade un
luminóforo que produce varias líneas en la
parte roja del espectro con la intención de blanquear su
luz) o gas (helio, neón, etc…) que no puedo identificar
adecuadamente. El conjunto completo de líneas medidas por
mi presentan estos colores y longitudes de onda aproximadas:

He marcado con (*) aquellas líneas
anómalas o reforzadas en el espectrograma de algunas
lámparas y con (¿?) las 5 que que no logro
identificar de ninguna manera. ¿Cómo puedo saber a
qué elemento químico pertenecen?: sólo
haciendo suposiciones y comprobando después,
laboriosamente, sus línea al carecer de
bibliografía sobre ellos; sólo si se trata de un
elemento químico (o compuesto molecular conocido)
tendría posibilidades de identificarlo.

Puestos a especular a la ligera podríamos suponer que
la lámpara contiene hidrógeno: sin embargo sus
líneas espectrales son roja (656.3 nm), azul (486.1 nm) y
violeta (434.0 nm) y ninguna de ellas aparece, salvo que
aceptemos un intolerable error de 2.7 nm en esta última
línea…: el hidrógeno no es el elemento buscado.
El helio emite nada menos que 5 líneas en el intervalo
capturado por mi webcam, pero la naranja (587.56 nm) dista 1.94
de la que yo mido, la azul (501.57 nm) dista 2.97 nm, la
añil (492.19 nm) nada menos que 6.41 nm, la violeta
(471.31 nm) otros 3.91 nm y la última del violeta (447.15
nm) se separa 10.45 nm de las que yo mido: tampoco es el helio.
Puedo analizar las líneas espectrales de varias
moléculas ionizadas a ver qué ocurre: miro el
C2 y compruebo que su emisión ocurre en los
473.7, 516.5 y 563.5 nm: comparadas con las mías encuentro
una diferencia de 1.8, 1.1 y 4.5 nm: el error es excesivo y puedo
descartarle también; el CO+ emite una
línea en los 550.2 nm y ésta tampoco aparece:
descartado; el H20+ emite una línea
en los 619.8 nm y salvo que admita un error de 3.7 nm tampoco
aparece: descartado; el magnesio presenta un doblete en los 517.3
y 518.4 nm que parece coincidir con una de las líneas
desconocidas con una diferencia de 1.9 y 3 nm respectivamente:
haciendo la vista gorda podría suponer que es el magnesio
el que origina esa línea, pero dado que este doblete
presenta sus líneas separadas por nada menos que 1.1 nm y
esta resolución la alcanzo (sin ver para nada dos
líneas, sino una muy nítida) tengo que descartarle
de inmediato. Sé que en los laboratorios de física
se emplean las lámparas de xenón para demostrar el
efecto fotoeléctrico, dado que emite abundantes
radiaciones ultravioletas y violetas: ¿puede ser
xenón el tercer elemento incluido en la lámpara de
sodio? Es posible pero no puedo comprobarlo en la práctica
al desconocer la posición de las líneas de
emisión de este gas. Sin embargo me queda una
última posibilidad: que sea debida a algún tipo de
fósforo; examinando durante el día las
lámparas (los prismáticos me servían
perfectamente) comprobé que aparecen blancas al estar
recubiertas internamente de alguna sustancia; es posible, por
tanto, que alguna de estas líneas se origine por
fluorescencia de cierto tipo de fósforo: en este caso
quizá el propio mercurio provoque esta fluorescencia por
la emisión de líneas ultravioletas.

En un montaje de varios espectrogramas de la misma
lámpara (Foto 1 y 2) se puede observar que en ciertas
ocasiones las líneas del mercurio aparecen intensas, pero
en otras ocasiones estas líneas apenas si destacan; sin
embargo en otras lámparas (no en las anteriores) se pueden
estudiar siempre estas líneas, a la vez que el doblete
amarillo del mercurio es muy nítido: como contrapartida no
aparece la línea de absorción del sodio, pero
sí una brillante línea amarilla en su lugar
(¿quizá el doblete de emisión?); esto me
hace pensar que la presión en su interior es menor, dado
que no se produce auto-absorción, o bien que contiene una
cantidad mayor de vapor de mercurio y menor de vapor de sodio.
También es posible que unas bombillas sean más
nuevas que otras, por lo cual ambos vapores aparecen claramente y
sólo con el paso del tiempo el sodio muestra
auto-absorción, a la vez que el mercurio refuerza sus
líneas sólo esporádicamente (por ejemplo
cuando se enfría). O incluso cabe la posibilidad que la
proporción de gases (o su presión interna) sea
diferente; esta cuestión la dejo de momento.

Puedo determinar la energía de estos fotones sin
problema empleando la fórmula: E = 1240 eV nm :
lamba en donde lambda es la longitud de onda (en
nanómetros) de las diferentes líneas espectrales.
Con ella puedo elabora una tabla orientativa que nos dé
idea de la energía de cada línea:

Como puede verse su energía está entre los 2.84
y los 2.01 eV como límites (el espectro visual contiene
fotones con energías de 3.1 a 1.65 eV en sus extremos
violeta y rojo -400 nm y 750 nm respectivamente-). El
análisis de las líneas desconocidas indican que 4
de ellas son energéticas (zona violeta y añil)
mientras que la última (zona verde) poseen una
energía algo menos elevada pero todavía
notoria.

Casi 20 días después de iniciados estos trabajos
asistí por casualidad al encendido de la lámpara:
comprobé asombrado que la misma empezó a brillar
con luz blanco-azulada en vez del amarillo del sodio, y
sólo después de uno-dos minutos su luz
empezó a amarillear poco a poco; me asaltó una idea
"luminosa": la lámpara comienza a brillar por la
excitación del vapor del mercurio y luego, sólo
más tarde, el sodio empieza a ser activado a medida que se
calienta, se evapora o se excita… De modo que a la siguiente
tarde con la red en la mano comprobé este hecho: nada
más conectarse la lámpara aparecen las
típicas e inconfundibles líneas del mercurio
(violeta, verde y el doblete amarillo), las cuales dan origen
conjuntamente a una luz blanco-azulada; poco a poco comienzan a
aparecer las líneas del sodio hasta que éstas ganan
intensidad y el espectro termina por ser el capturado por mi.
Intenté capturar con la webcam una secuencia de
imágenes en las que se apreciase claramente este hecho,
pero toda la secuencia ocurre en un tiempo inferior a los 3
minutos de modo que sólo con mucha habilidad y
después de varios intentos infructuosos lo
conseguí: en mis imágenes (Foto 4) se ve al
principio la emisión típica del mercurio
(línea verde y amarilla), luego la aparición de la
línea violeta, más tarde comienza a emitir el verde
y el amarillo del sodio -a la vez que se refuerzan las del
mercurio- hasta que, finalmente, tanto el mercurio como el sodio
brillan en todo su esplendor; el último en parecer es el
contínuo rojo.

Todos los esfuerzos por identificar los principales elementos
componentes se habrían reducido con asistir al
encendido… esto indica indefectiblemente que primero se excita
el mercurio y luego el sodio, hasta que finalmente ambos emiten
energía luminosa conjunta.

Aunque sigo trabajando en la obtención de
espectrogramas de mayor calidad y en la determinación
exacta de las longitudes de onda de todas las líneas,
aquí termina por el momento el análisis de las
lámparas de vapor de sodio.

Autor:

Francisco A. Violat Bordonau

Asesores Astronómicos
Cacereños