El espectro de la luz
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El espectro de la luz Dra. Rosa Martha Torres Newton Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Isaac Newton (1643-1727) ● ● Uno de los más grandes genios de la historia de la ciencia, sin duda alguna Hizo aportaciones a las matemáticas, la astronomía, óptica y física, pero desde muy temprano se interesó en los estudios de la luz Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] La luz blanca ● En febrero de 1672 presentó a la Royal Society su primera comunicación sobre la luz, en la cual aportaba la indiscutible evidencia experimental de que la luz blanca era una mezcla de rayos de diferentes colores ● Lo que hizo fue interponer un prisma en el camino de un fino haz de luz solar y sobre la pared se proyectaron los colores del arcoiris Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] El arcoiris Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Descomposición de luz blanca Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro ● ● Dio a este fenómeno el nombre latino “spectrum”, en español “espectro” La conclusión fue que: – La luz estaba constituida por innumerables partículas microscópicas coloreadas (corpúsculos), que eran emitidas a altas velocidades por una fuente de luz como el Sol – Todas juntas, parecían blancas ante nuestros ojos – Un prisma es capaz de separarlas según su color Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Herschel Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] William Herschel (1738-1822) ● ● ● Nació 11 años después de la muerte de Newton Astrónomo y músico germano-británico que descubrió Urano Demostró que la mayoría de las estrellas se orbitaban unas a otras: primer movimiento orbital fuera del Sistema Solar Dra. Rosa Martha Torres Astronomía General para www.rosamarthatorres.com la Licenciatura en Estudios Liberales [email protected] [email protected] Experimento de Hershel ● ● Hizo pasar luz solar a través de un prisma para generar un espectro y midió la temperatura de cada color 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 Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Experimento de Hershel ● ● Después de realizar ese experimento, 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 Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Experimento de Hershel Dra. Rosa Martha Torres Astronomía General para www.rosamarthatorres.com la Licenciatura en Estudios Liberales [email protected] [email protected] Experimento de “rayos caloríficos” ● ● ● ● Los “rayos caloríficos” existían más allá de la región roja del espectro Encontró que eran reflejados, refractados, absorbidos y transmitidos igual que la luz visible 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 Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Experimentos realmente importantes ● Sus experimentos fueron realmente importantes no sólo porque condujeron 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 Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Faraday y Maxwell Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Michael Faraday (1791-1867) ● ● ● Más o menos contemporáneo de Herschel Estableció que el magnetismo podía afectar a los rayos de luz y que había una relación subyacente entre ambos fenómenos Descubrió el principio de inducción electromagnética, diamagnetismo y las leyes de la electrólisis Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Michael Faraday ● ● ● Fue un excelente experimentador que transmitió sus ideas en un lenguaje claro y simple Sin embargo sus habilidades matemáticas no abarcaban más allá de la trigonometría y el álgebra básica Pero estableció las bases para el desarrollo del concepto de campo electromagnético Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] James Clerk Maxwell (1831-1879) ● ● Contemporáneo de Faraday James Clerk Maxwell tomó el trabajo de Faraday y de otros y lo resumió en un grupo de ecuaciones que representan las actuales teorías del fenómeno electromagnético Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Ecuaciones de Maxwell Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Aportaciones de Maxwell ● ● Las ecuaciones de Maxwell demostraron que la electricidad, el magnetismo y hasta la luz, son manifestaciones del mismo fenómeno: el campo electromagnético Su trabajo sobre electromagnetismo ha sido llamado la “segunda gran unificación en física”, después de la primera llevada a cabo por Newton Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Radiación electromagnética Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Radiación electromagnética ● ● ● ● ● Son campos eléctricos y magnéticos que se desplazan por el espacio Transfieren energía de un lugar a otro Llevan una velocidad de 300,000 km/s llamada velocidad de la luz c Es un fenómeno ondulatorio representa la longitud de onda y puede ser más pequeña que el átomo o más grande que la Tierra Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Radiación electromagnética Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro electromagnético ● ● ● ● Se trata de ordenar la radiación electromagnética de acuerdo a su El arcoiris es la parte visible del espectro La de la parte visible va desde 4x10 -7 m hasta 7x10-7 m (400 a 700 nm) Pero el espectro electromagnético es mucho más grande y va desde = 10-12 m hasta 103 m Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Radiación electromagnética ● Nos da la clave sobre la naturaleza de los cuerpos celestes ● Los cuerpos celestes emiten radiación en diferentes ● ● ● Para estudiarla usamos telescopios especiales para cada tipo de Pero sólo una pequeña parte del espectro (visible y radio) puede atravesar la atmósfera, las otras partes son absorbidas Para detectar radiación en otras , usamos telescopios fuera de la atmósfera Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Sol y mano a diferentes Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro electromagnético Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Telescopios ópticos Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Telescopios ópticos ● ● ● Son instrumentos que captan la luz visible Son de 2 tipos: refractores y reflectores Parece que en 1550 se desarrolló el primer prototipo del telescopio refractor, pero hasta agosto de 1609 fue Galileo quien estableció el telescopio como instrumento de observación astronómica Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Instrumentos ● Hay instrumentos especiales que se pueden adaptar a los telescopios ópticos ● ● Dichos instrumentos nos permiten analizar la luz visible de diferentes maneras Los instrumentos más importantes son la placa fotográfica, las cámaras electrónicas, los CCDs, el espectrógrafo, el fotómetro y las computadoras Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectrógrafo ● ● El espectrógrafo descompone la luz de las estrellas y sirve para obtener su espectro Se puede usar un prisma, un conjunto de prismas o una rejilla que consiste en una lámina de vidrio sobre la que se graban miles de líneas microscópicas paralelas Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Fraunhofer Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Joseph von Fraunhofer (1787-1826) ● ● Nació 60 años después de la muerte de Newton Estudió el espectro solar y vio que estaba cruzado por 600 líneas oscuras ahora llamadas líneas de Fraunhofer Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectroscopio Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Joseph von Fraunhofer ● ● Lo que hizo fue simplemente interponer un prisma en el camino de un telescopio por el que entraba luz solar (Newton no lo hizo de esta manera) Fue entonces que se abrió la puerta hacia la comprensión de las estrellas Y para seguir hablando de estrellas, debemos entender primero cómo el átomo interacciona con la luz Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] La interacción de la luz y la materia Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Absorción y emisión Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro continuo ● ● ● Cuerpo negro es un cuerpo en equilibrio térmodinamico y emite luz en todos los colores en función de su temperatura Si le ponemos un prisma a ese cuerpo negro, obtenemos un espectro continuo Se llama continuo porque no tiene ni un espacio vacío d Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Tipos de espectro Espectro continuo Prisma Gas caliente Gas frío Dra. Rosa Martha Torres Prisma Prisma www.rosamarthatorres.com Líneas emitidas por el gas Espectro continuo + líneas absorbidas por el gas [email protected] Tipos de espectro Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectros de emisión en laboratorio Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectros de absorción en laboratorio Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro de estrella y nebulosa La estrella tiene una “lámpara” en sus capas internas y luego un “gas” que lo rodea, y lo que se obtiene es un espectro de absorción La nebulosa no tiene una “lámpara” en sus capas internas pero sí tiene un “gas”, y lo que se obtiene es un espectro de emisión Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Estrellas ● ● ● ● ● Una estrella está hecha a partir de una gran cantidad de gas Sus capas externas emiten de manera similar a un cuerpo negro a la temperatura de la estrella y emite en todas las (esta sería la luz de la estrella) Por encima de la estrella hay una capa de gas a la que se le llama atmósfera estelar Cuando la luz de la estrella viaja a través de la atmósfera, los fotones de ciertas son absorbidos por la atmósfera y nunca llegan a nosotros El espectro de una estrella es uno de absorción Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro estelar ● ● ● Los espectros de las estrellas nos dan mucha información sobre ellas Podemos identificar qué elementos absorben estas y así saber qué elementos abundan en sus atmósferas. Además podemos usarlos para medir sus temperaturas y la fuerza de gravedad en ellas. Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro del Sol Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro del Sol Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Líneas de Fraunhofer Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectros estelares Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectros de estrellas Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Tipo espectral ● ● ● ● Todas las estrellas de una temperatura dada tienen similares espectros Annie Jump Cannon clasificó los espectros según su apariencia Les puso nombres alfabéticamente, luego eliminó los innecesarios Al final quedaron 7 tipos espectrales: – ● O, B, A, F, G, K, M Y ahora los llamamos secuencia espectral Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Annie Jump Cannon (1863-1941) Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectros de estrellas ● ● ● ● Las líneas de Helio sólo son visibles en el espectro de estrellas calientes Las bandas del Óxido de Titanio sólo son visibles en estrellas frías Podemos ser más precisos y dividir cada tipo espectral en 10 subtipos: A0, A1, A2... A8, A9 Al dividir en subtipos tenemos una precisión de 5% en el estimado de la temperatura – Si el Sol es tipo G, tiene T=4,600–5,700°K – Si es tipo G2, tiene T=5,800°K Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectros de estrellas Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Encontrando elementos ● ● ● ● Si en la región amarilla del espectro del Sol vemos una línea de 589 nm y otra de 589.6 nm El único átomo que puede producir este par de líneas es el Sodio Entonces el Sol tiene Sodio Así se han identificado más de 90 elementos en el Sol y en otras estrellas Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Eliminando elementos ● ● ● No se puede asegurar que una estrella no tiene un elemento si no vemos las líneas que le corresponden El elemento puede estar en la estrella, pero si la estrella es demasiado fría o caliente, no habrá electrones que quieran absorber o emitir fotones Ahora sabemos que casi todas las estrellas tienen 92% de Hidrógeno, 7.8% de Helio y sólo un 0.2% de elementos pesados Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Los espectros dicen mucho Débil Media Fuerte Media Débil Muy débil Muy débil Nitrógeno, Carbono, Helio, Oxígeno Helio, Nitrógeno Hidrógeno Metales: Hierro, Titanio, Calcio, Estroncio, Magnesio Calcio, Helio, Hidrógeno, Metales Metales, Óxido de Titanio Metales, Óxido de Titanio Helio ionizado Helio neutro Calcio ionizado débil Calcio ionizado débil Calcio ionizado medio Calcio ionizado fuerte Óxido de Titanio fuerte O B A F G K M 28,000–50,000 9,600–28,000 7,100–9,600 5,700–7,100 4,600–5,700 3,200–4,600 1,700–3,200 Azul Blanco/azul Blanco Blanco/ amarillo Amarillo Amarillo/ naranja Rojo MASA (Msol) 60 18 3.1 1.7 1.1 0.8 0.3 RADIO (Rsol) 15 7 2.1 1.3 1.1 0.9 0.4 140,000 20,000 80 6 1.2 0.4 0.04 Naos Rigel Sirio A Polaris A Sol Centauri B Gliese 581 LÍNEAS DE BALMER LÍNEAS DE ABSORCIÓN OTRAS CARACTERÍSTICAS CLASE TEMPERATURA (°K) COLOR LUMINOSIDAD (Lsol) EJEMPLO Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Tamaño de las estrellas Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Fin Presentación en: www.rosamarthatorres.com entrando en “Presentaciones de divulgación” en el menú de la izquierda Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Construyendo un espectroscopio Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Lámpara fluorescente ● Tiene un gas adentro, pero no un cuerpo negro, por lo tanto, lo que ves es un espectro de emisión Gas caliente Dra. Rosa Martha Torres Prisma www.rosamarthatorres.com Líneas emitidas por el gas [email protected] Lámpara fluorescente ● ● ● ● Consiste en un tubo de vidrio fino revestido interiormente con diversas sustancias químicas compuestas llamadas fósforos (no contienen el elemento químico fósforo) Esos compuestos químicos emiten luz visible al recibir una radiación ultravioleta El tubo contiene además una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte, habitualmente argón o neón En cada extremo del tubo se encuentra un filamento hecho de tungsteno, que al calentarse al rojo contribuye a la ionización de los gases Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Lámpara fluorescente Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Lámpara fluorescente Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro de una lámpara fluorescente Intensity (Counts) 5 12 4000 4 3000 2000 2 8 3 7 6 1000 9 10 11 13 1 14 15 16 17 18 19 20 22 21 0 400 500 600 700 800 Wavelength (nanometres) Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Espectro de una lámpara fluorescente Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected] Fin Dra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.com [email protected]
