LOS ESPECTROS DE ONDAS Introducción Nos detenemos para

LOS ESPECTROS DE ONDAS
Introducción
Nos detenemos para explicar dos innovaciones,
introducidas en la física del siglo XIX, que han tenido una
importancia trascendental en el desarrollo de la Cosmología
en el siglo XX: una es un aparato, el espectroscopio, que
separa la luz por las longitudes de onda que contiene. La
otra, es una ley física, llamada Efecto Doppler.
El Espectroscopio
Newton descompuso la luz solar, mediante un prisma
de cristal (prisma de Newton, llamado así aunque Newton no
fue el primero en conocerlo), obteniendo en una pantalla
colocada detrás del prisma el espectro de la luz (franjas de
colores como en el arco iris: rojo, anaranjado, amarillo, azul,
añil y violeta). El instrumento fue perfeccionado añadiendo
una lente antes del prisma y otra después, obteniéndose el
espectroscopio (ver figuras 8 y 9).
El espectroscopio proyecta sobre una pantalla, con
precisión, imágenes de los distintos colores que forman la luz
que le llega, ordenándolas por longitud de onda; a la imagen
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Figura 8 Prisma de Newton
Figura 9. Esquema simplificado de espectroscopio de
prisma.
así obtenida, formada por bandas de color, se la llama un
espectro. Las longitudes de onda mayores corresponden al
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rojo, las menores al violeta. Cada longitud de onda
corresponde a una frecuencia (de tal forma que multiplicando
la longitud de onda por la frecuencia se obtiene la velocidad
de la luz). Además, también se obtienen y separan las
frecuencias no visibles, infrarrojas y ultravioletas, que se
pueden medir con sensores aunque no se pueden ver.
A mediados del siglo XIX, los físicos alemanes Bunsen
y Kirchoff descubrieron que, mientras un cuerpo sólido
incandescente emite luces de todos los colores (formando un
espectro continuo), los átomos incandescentes sueltos
emiten sólo franjas o rayas de color, muy estrechas, sobre
fondo negro, características del elemento químico al que
pertenece el átomo. A este tipo de espectro se le llamó
"espectro de emisión". O sea, cada elemento químico tiene
un espectro característico, diferente de todos los demás.
También las moléculas presentan espectros característicos.
Cuando la luz producida por un sólido incandescente
(que produce espectro continuo), atraviesa un gas, en el
espectro aparecen las rayas características de los átomos
que contiene dicho gas, pero no ya como rayas luminosas,
sino como rayas negras sobre fondo de color (espectro de
absorción, que viene a ser como un negativo del de emisión).
Tanto el espectro de emisión como el de absorción,
posibilitaron un gran desarrollo del análisis químico espectral.
El óptico alemán Fraunhoffer estudió los espectros de
absorción de la luz que envía el Sol, descubriendo las rayas
negras que desde entonces se llaman "rayas de
Fraunhoffer". Daban noticia de la existencia de gases con los
mismos elementos químicos que en la Tierra.
El astrónomo francés Janssen, en 1868, encontró sin
embargo unas rayas de Fraunhoffer que no correspondían a
ningún elemento conocido en la Tierra. Las identificó como
producidas por un elemento nuevo, al que llamó "helio" (del
griego helios, el sol). En 1894, Lord Ramsay descubrió el
elemento helio en la Tierra, con idéntico espectro que el solar.
Efecto Doppler-Fizeau
El austriaco Christian Johann Doppler (1803-1853)
descubrió que el sonido producido por un emisor E, recibido
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por un receptor R, parece más agudo (a R) cuando emisor
y receptor se acercan, y más grave si se alejan. El francés
Fizeau encontró la ecuación que permite relacionar la
frecuencia F del emisor, la frecuencia F' que escucha el
receptor, y la velocidad relativa V que tienen uno respecto al
otro (Ver figura 10).
Figura 10. Efecto Doppler: cuando el emisor E se aleja del
receptor R, éste recibe una frecuencia menor. Lo contrario
sucede cuando se acercan.
Fórmula para ondas sonoras: F' = F * V / (V - v)
F = frecuencia emitida por E
F' = frecuencia recibida por R
V = velocidad del sonido en el medio
v = velocidad relativa de acercamiento de E y R
Fórmula para ondas electromagnéticas (radio, radar, luz...):
F’=F *
(c + v) /(c − v)
c = velocidad de la luz en el medio.
Cosa idéntica sucede con otros tipos de ondas, de
radio, de radar, y luminosas (ondas electromagnéticas, que
viajan a la velocidad de la luz). Si un emisor produce luz, y se
acerca a un espectroscopio, el espectro visible se desplazará
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algo hacia el violeta; si se aleja, el espectro se desplazará
hacia el rojo.
Como ejemplo de aplicación del efecto Doppler,
podemos mencionar el "Radar Atmosférico de Tiempo Claro",
que permite medir las velocidades del aire, cada minuto, de
kilómetro en kilómetro, desde la altura de 2 Km hasta la de
20 Km.
El radar, como la luz, se refleja en un espejo; también
en el plano de separación de dos capas de aire de distinta
densidad (piénsese en los espejismos). El rayo reflejado se
mueve como si procediera de un punto E' simétrico del
emisor respecto al plano de reflexión (ver figura 11).
Si la superficie de separación se mueve hacia arriba, por
tener el aire una velocidad vertical, las ondas reflejadas
se
Figura 11. Un rayo vertical de radar emitido por E (en el suelo), al
encontrar una superficie SS' de separación de distintas densidades del
aire, se refleja parcialmente, siendo recibido de nuevo como si viniera de
E' a doble altura que SS'.
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recibirán como si procedieran de un emisor en movimiento
de separación, y por tanto, con mayor longitud de onda.
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El radar atmosférico de tiempo claro trabaja de la
siguiente forma: emite un rayo vertical de radar (frecuencia
50 MHz, megahertzios, o millones de ciclos por segundo, lo
que corresponde a una longitud de onda de 6 metros),
durante 8 microsegundos (millonésimas de segundo).
Después, la antena se convierte en receptora: se pone a
escuchar. Va recibiendo los ecos reflejados. Por el tiempo
que tarda en llegar un eco, deduce la altura de la superficie
de reflexión. Y por la frecuencia del rayo reflejado, deduce la
velocidad vertical del aire a esa altura (efecto Doppler).
Naturalmente los datos son procesados por un
computador anexo, que los archiva en cinta magnética y
además da un resumen o consolidado cada media hora.
Hasta aquí hemos expuesto, a grandes rasgos, cómo
puede medir velocidades verticales, pero, complicando más
la cosa (lanzando además rayos algo inclinados), puede
medir también las componentes horizontales de la velocidad
del aire. Las velocidades que se obtienen son perfectamente
congruentes con las obtenidas por otros métodos (método
del globo sonda, por ejemplo).
Este tipo de radar (del que es co-inventor el científico
piurano Ronald Woodman) se usa para estudios
meteorológicos (como el llamado Fenómeno del Niño), y
también servirá, cuando esté más desarrollado, para indicar
rutas más económicas a los aviones comerciales (que podrán
aprovechar la velocidad del aire a distintas alturas a fin de
hacer sus viajes más de prisa y con menor gasto de
combustible).
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