Dispersion
30 Jun, 2013
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PDFWith a prism
PRESENTATION: In optics, a prism is an object that is capable of refracting, reflecting and breaking light up into the colours of the rainbow. Generally, such objects take the form of a triangular prism, hence the name. The first person to study this phenomenon was the Frenchman René Descartes, who explained the formation of the rainbow in 1637, although it was not until 1671 that Sir Isaac Newton managed to break white light up using a prism and observed that it was formed by a band of colours (red, orange, yellow, green, blue and violet).
- Why is white light dispersed by a prism?, Frank S. Crawford, Phys. Teach. 17, 583 (1979)
INTRODUCTION: Newton worked to a great extent on the problems that existed in optics and the nature of light. By projecting white light, he demonstrated that it was made up of a band of colours (red, orange, yellow, green, blue, indigo and violet). His experiments on the nature of light led him to formulate his general theory to explain that light is composed of corpuscles (particles). Nowadays, scientists have come to the conclusion that light has a dual nature: made up of waves and corpuscles at the same time. The phenomenon of light dispersion can be observed in Nature, when standing between the Sun and an area where it is raining. This is when a rainbow can be seen.
OBJECTIVE: To demonstrate that white light is made up of a series of colours, each of which is characterised by a specific wavelength.
MATERIALS: Halogen lamp (12V, 20W), alternating current power source, different types of prisms and lenses, cables.
SETUP: The bulb is fixed in the lamp holder in such a way that the thin rectangular beam we will need is projected onto the surface of the prism. The position of the prism should be altered so that in one specific position the light is broken up into colours. The surface on which the experiment is done should preferably be white so that the colours stand out.
EXPLANATION: The law of refraction indicates that if lights that are incident on a surface have different wavelengths, then they will be refracted at different angles. This is because light, when it is incident on the surface of another material, reduces its velocity compared to that in a vacuum. The relationship between both velocities is the refractive index, which depends on the properties of the material and the wavelength of the light. White light is actually a mixture of all the electromagnetic waves in the visible spectrum, all with different wavelengths, each of which corresponds to a colour (going from red to violet), which means that each colour is refracted at a different angle. A prism can be used to boost the effect because it increases the separation at the second refraction. The colours that make up white light can then be identified in an organised way. The shift from their original path is progressive, with larger frequencies (or smaller wavelengths) shifting more, so that seven colours can be seen: violet, blue, green, yellow, orange and red, as well as ultraviolet and infra-red at each end of the spectrum, which cannot be seen by the human eye but can form an image on photographic plates.
CONCEPTS: refractive index, prism, wavelength.
MORE INFORMATION:
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- JPIMENTEL
TEXTS:
- Tipler P.A. Física, Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A, Jewett J.W., Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
STUDENTS 2012-2013: Rodrigo Graña, Xeila Iglesias, Samuel Carballo, José M. Campos.
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STUDENTS 2012-2013: Antonio Sixto, David Zúñiga.
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71 responses to "Dispersion"
Esta utilización de prismas y su aplicación en nuestros días aparece, por ejemplo, en los espectrofotómetros tan usados por la comunidad científica. Estos llevan incorporados en su sistema de detección un prisma, el cual ayuda a seleccionar la longitud de onda que queremos que llegue al detector. Los espectrofotómetros son muy utilizados en los laboratorios, debido a la facilidad de manejo, el bajo coste y la versatilidad que ofrecen.
No se puede empezar el comentario de este experimento si recomendar la portada de Pink Floyd del genial “dark side of the moon”, sin duda aparece dibujado este fenómeno de una forma muy ilustrativa.
Pasando al experimento en sí, no me parece nada fácil explicar y demostrar a la gente el porqué de este fenómeno y desde luego este experimento ayuda a fijar los conceptos. Para mi gusto colocaría otro prisma y trataría de volver a componer la luz blanca. De todos modos un buen ejemplo.
Este experimento es sencillo y perfecto para que los alumnos vean y comprendan como un prisma de cristal dispersa la luz en sus colores. Esta hermosa cualidad de la naturaleza forma parte de icónica portada del “dark side of the moon” de Pink Floyd y hay gente que le da a esta imagen hasta un sentido místico pero no deja de ser ciencia. Menos conocida es la portada de Alex Steinweiss, para la actuación de la Filarmónica de Nueva York en 1942, del Concierto Emperador de Ludwig van Beethoven. Adjunto imagen en el link.
La dispersión de la luz en el ojo, ya sea por cambios en el índice de refracción en los medios oculares, la fluorescencia del cristalino (que convierte la luz ultravioleta en luz azul dispersada visible) o las irregularidades en las superficies oculares (como las úlceras corneales) ocasionan fenómenos de deslumbramiento, que pueden incluso afectar a la sensibilidad cromática.
Esta dispersión de la luz se hace más común con el aumento de la edad, ya que el cristalino pierde transparencia.
Ambos vídeos permiten explicar el fenómeno de la dispersión utilizando un simple prisma. El fenómeno de la dispersión se da también en las fibras ópticas, que tiene como una de sus aplicaciones la transmisión de datos a gran distancia, basan su funcionamiento en las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz. La fibra óptica por dentro no tiene nada parecido a un espejo, simplemente se necesita que el núcleo y la cubierta (ambas de vidrio) tengan índices de refracción distintos, ya que es suficiente para que la luz vaya rebotando sin salirse del núcleo, siempre y cuando el ángulo con el que entran los rayos de luz del núcleo a la cubierta sea mayor que el ángulo crítico. Para el mejor entendimiento de la fibra óptica dejo el siguiente vídeo.
Para saber más de esta dispersión (modal, cromática y por polarización de modo consulta este enlace.
El concepto de “dispersión” está muy presente en el mundo que nos rodea, por eso, una buena actividad donde podamos demostrar su efecto es fundamental para el entendimiento de los procesos cotidianos. Con dicho fenómeno también se puede explicar la formación de humo, niebla o mismamente aire entre muchos otros, y esto es debido a la dispersión de los coloides.
Hablando de dispersión, en química una dispersión coloidal es un sistema fisicoquímico formado por dos o más fases, una continua (habitualmente fluida) y otra dispersa en forma de partículas generalmente sólidas (5-200 nm) denominadas coloides, estas partículas dispersan la luz de un rayo a través de una mezcla, esto se conoce como efecto Tindall , este efecto podemos observarlo en el siguiente vídeo. Este fenómeno podría ser explicado en el aula a través de un divertido experimento en el aula con una gelatina, ya que es un sistema coloidal, y un puntero láser.
Con este sencillo experimento ayudaremos a comprender fenómenos naturales tan impresionantes como la dispersión de Rayleigh, que explica el por qué de los colores del cielo (desde el intenso azul hasta el incandescente enrojecimiento que se produce en los atardeceres). Además también podrá ayudarnos a comprender y romperá el misticismo que tiene ese fenómeno que se produce con presencia de gotas de agua en la atmósfera, los hermosos arco iris.
Los dos vídeos explican de forma muy sencilla con la utilización de un prisma la dispersión de la luz, las ondas de distinta frecuencia se separan al atravesar un material. Es importante que el alumnado comprenda este fenómeno ya que todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire. Además estos pequeños experimentos ayudan a entender la formación del arco iris, ya que en realidad la luz blanca es una mezcla de luces de diferentes colores. Cuando observamos el arco iris podemos ver los colores que componen la luz blanca. Este fenómeno, conocido como dispersión, se produce cuando un rayo de luz compuesta se refracta (refracción) en algún medio quedando separados sus colores constituyentes. En el caso del arco iris, la luz se dispersa al atravesar las gotas de agua. La causa de que se produzca la dispersión es que el índice de refracción disminuye cuando aumenta la longitud de onda de modo que las longitudes de onda más largas (rojo) se desvían menos que las cortas (azul). En este vídeo podemos ver la obtención del espectro electromagnético de una luz blanca con el prisma óptico.
Tal y como se explica en la introducción de esta actividad, la dispersión de la luz explicaría la formación del arcoriris, lo cual se produce por la refracción de los rayos de sol al atravesar las gotas de agua. Curiosamente, no solo se forma un único arcoiris, teoricamente podrían formarse más. El “arcoriris primario” sería un arco interno más cercano al observador, y el “arcoirirs secundario” se formaría gracias a la doble refracción de la luz en la gota de agua. Este arcoiris secundario tendría los colores invertidos respecto al primario, sería más débil y quedaría por encima del primario.
En el siguiente enlace podemos ver como construir un disco de Newton, con el que podemos observar este fenómeno a la inversa, es decir juntando los colores del arco iris podemos obtener nuevamente el color blanco. Una de las principales aplicaciones del fenómeno de dispersión de la luz está en la espectroscopía ultravioleta-visible, muy utilizada por ejemplo para realizar medidas del color, análisis de muestras bioquímicas o en otras determinaciones cuantitativas.
Los trabajos de Newton sobre refracción constituyen los primeros pasos de las numerosas ciencias y aplicaciones de la luz a las que hemos llegado a día de hoy. La teoría sobre la naturaleza corpuscular de la luz, que no fue asimilada en la definitiva de onda-corpúsculo hasta mucho después, abrió todo un marco teórico de posibilidades desde el que trabajar, con implicaciones tan importantes como la astrofísica; la luz se comporta como una onda, pero como corpúsculo también es afectada por la gravedad. Tal hecho permitió teorizar en gran profundidad sobre conceptos como los agujeros negros.
El ejemplo más clásico y que conocemos desde pequeños es el del arcoíris: la luz blanca, proveniente del sol, es refractada en las gotas de lluvia, que actúan como prisma. El hecho de que podamos ver los distintos colores sin estar situados entre el sol y la lluvia se debe a que la luz amarilla (como referencia) es dispersada 138 grados de su trayectoria original. Éste ángulo es algo menor para la luz roja (y todas las frecuencias de onda más bajas) y algo mayor para la violeta (y las más altas). Para verse, las gotas de agua deben tener una forma esférica, lo cual únicamente ocurre cuando su movimiento es uniforme (ya que la esfera es el estado de mayor superficie a igual volumen, y por tanto el más estable). Ello explica que con cierto viento, por ejemplo, el fenómeno no sea visible.
El arcoíris es un fenómeno mucho más complejo de lo que parece a simple vista. En este enlace se explica el fenómeno con detalle, incluyendo ciertas anomalías menos habituales (como los arcoíris circulares, observables desde mayores alturas, como una montaña o durante el vuelo de un avión).
Hablar de la dispersión de la luz blanca y de su división en 7 colores, simplemente de una forma teórica puede resultar poco productivo. Y, en este caso, a pesar de que la formación del arco iris es un fenómeno muy conocido y que se puede apreciar de forma natural fácilmente con mayor o menor frecuencia, solo citarlo como ejemplo no basta para ilustrar en el aula este concepto. Por tanto, a la hora de explicar este fenómeno es buena idea basarse en el uso de prismas como los empleados en el experimento para mostrar cómo ocurre este fenómeno, de una forma más práctica y directa.
En el ejemplo se dice que el infrarrojo no es directamente visible por el ojo humano, sin embargo, se puede saber de forma muy sencilla si, por ejemplo, un mando a distancia que utiliza infarrojos tiene las pilas descargadas. Los detectores habituales en las cámaras digitales (como los de los teléfonos móviles) están hechas de silicio que absorbe radiación infrarroja, por lo que las cámaras digitales “ven” los LED de los mandos a distancia. Para comprobar esto, solo hace falta visualizar con la cámara del móvil el diodo emisor del mando a distancia mientras pulsamos una tecla del mando.
Para explicar en Química el tema de los espectros atómicos y el funcionamiento de un espectroscopio, me parece imprescindible realizar una actividad práctica en la que se muestre la descomposición de la luz blanca a través de un prisma. Hablar de la dispersión de la luz blanca y su división en 7 colores de manera teórica , no tiene mucho sentido cuando se puede ver perfectamente.
El fenómeno de dispersión de la luz, además de se muy bonito por el colorido y estar acostumbrados a verlo en el arco iris, ayuda a explicar muchísimos conceptos. El objetivo, que consiste en que todos los colores de la luz blanca viajan a la misma velocidad en el aire y al atravesar el prisma cada uno tiene una velocidad, siendo la mayor la del rojo y la menorla del violeta,se puede continuarcon la mayor sensibilidad del ojo humano al color azúl y continuar con el fenómeno de difusión para explicar el azúl del cielo
Poderíase relacionar este experimento coa explicación de por que se ven os obxectos con cores diferentes. Os obxectos absorben e reflexan a luz de xeito distinto dependendo das súas características físicas, coma súa forma ou composición…etc. A cor que percibimos dun obxecto é o raio de luz que rexeita. Nos captamos eses “rebotes” con diferentes lonxitudes de onda, graza a estrutura dos nosos ollos.
Na cristalografía a aplicación de raios X foi unha técnica experimental fundamental para o seu desenrolo, servindo para o estudo e análise de materiais, debido á dispersión dos faces de raios X en certas direccións segundo a estrutura periódica da rede cristalina, formándose interferencias construtivas.
Os raios X son difractados polos electróns que rodean os átomos por ser a súa lonxitude de onda dunha orde similar ao radio atómico. Os raios emerxentes conteñen información sobre á posición e tipo de átomos encontrados no seu camiño.
Este experimento, es muy visual, permite a los alumnos ver cómo la luz se descompone en diferentes colores, y que así asocien que cuando ven algo verde es porque absorbe todo el resto de colores y refleja el verde. Sería interesante completarlo con una ruleta donde se pinten todos los colores y, al hacerla girar a una velocidad rápida, ver que se ve blanca. Me parece un ejercicio estupendo para alumnos desde 1º de la ESO puesto que es sencillo de comprender, hacer y muy ejemplificativo para explicar los colores.
La dispersión de la luz es el fenómeno por el cual distintas longitudes de onda se refractan con diferente ángulo al atravesar cualquier material. Uno de los primeros científicos en hablar de la dispersión de la luz fue Newton, quien descubrió que, al hacer pasar luz blanca a través de un prisma, esta se descomponía en los diferentes colores, y en función a su longitud de onda, el ángulo de desviación era diferente.
Los experimentos que se muestran son adecuados para poner de manifiesto este fenómeno además de su sencillez para realizarlos. Sería interesante combinar estos experimentos con el del disco giratorio. Este experimento se basa en la utilización de un disco dividido en sectores pintados con los colores del arcoíris y que al hacerlo girar rápidamente se ve todo blanco. En este enlace se recoge este experimento.
Es interesante que los alumnos conozcan bien este concepto ya que es el que explica la naturaleza del arcoíris, fenómeno habitual en la vida de los alumnos. La fibra óptica y la espectroscopia también se basan en este fenómeno.
El denominado efecto de dispersión de la luz es un fenómeno por el cual las ondas de diferente frecuencia se separan al atravesar un material. Existe un amplio rango de dispersión en los materiales y este efecto afecta a las ondas, independiente de su naturaleza, por ejemplo, en la atmosfera se desplazan las ondas sonoras, o la luz que es capaz de atravesar diferentes medios como el agua, vidrio y aire. Con esta actividad se puede explicar de una forma muy visual la dispersión de la luz blanca en 7 colores, y daría paso a explicar de una forma visual a los alumnos cual es la causa de que veamos estos colores, resultaría más instructivo que una mera explicación teórica.
Los fenómenos de dispersión de la luz, tales como el arco iris han suscitado el interés humano desde los albores de nuestra existencia hasta nuestros días y han sido una fuente inagotable de inspiración humana y belleza artística. Este tipo de sucesos, interpretados durante milenios como mensajes divinos (diosa Iris para los griegos o un mensaje de Dios según el Antiguo Testamento) tiene hoy explicación física como explican los recursos que acompañan a este experimento. Más allá de mostrar a los estudiantes el experimento, y de explicar los conceptos relativos al arco iris, considero que puede ser interesante la utilización de esta App gratuita llamada Le Prisme a pesar de que está en francés es muy intuitiva, y permite proyectar un haz de luz virtual sobre un prisma, permite además cambiar el ángulo de incidencia, el material del prisma y la fuente de luz (blanca o monocromática). Creo que esta aplicación podría contribuir a comprender un poco mejor estos conceptos.
Todos hemos observado el arcoíris, pero mucha gente no conoce cómo se produce. Concordando con otros comentarios aquí citados, fenómenos como estos, presentan una explicación física y esta experiencia resulta de muy fácil aplicación y con recursos a utilizar son de fácil acceso, permite explicar de forma sencilla lo que ocurre. En el currículum educativo de la ESO y Bachillerato se establece dicho contenido, el cual se puede introducir a los alumnos mediante este experimento, lo que les ayudaría a comprender e interpretar el comportamiento de la luz como onda, ya que muchas veces estos contenidos pueden resultar de difícil comprensión al tratarse de conceptos bastante abstractos. En los siguientes enlaces, se muestran dos experiencias relacionadas con la dispersión de luz de fácil aplicación para con los alumnos, uno de ellos con una explicación de fácil comprensión.
En esta experiencia se demuestra cómo la luz blanca se puede descomponer en un espectro continúo con los diferentes colores al atravesar un prisma, ya que según la ley de refracción de Snell, diferentes longitudes de ondas se refractan en ángulos distintos. Como se indica en comentarios anteriores, la dispersión explica la formación el arcoíris debido a la dispersión de la luz solar al atravesar gotas de agua presentes en la atmósfera. El número de Abbe, propuesto por el físico Ernst Karl Abbe, es una cantidad adimensional que nos permite medir el grado de dispersión de un material a partir de los índices de refracción a diferentes longitudes de onda. Un número de Abbe alto implica una dispersión pequeña. El número de Abbe es un parámetro importante a la hora de evaluar la calidad óptica de las lentes utilizadas para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, las lentes de las gafas tienen normalmente valores en torno a 60 para minimizar la dispersión, ya que con valores bajos (inferiores a 40) podrían aparecer molestas franjas de color.
Cando Newton conseguiu entender que o arco iris formábase debido a refracción da luz branca, moitos dos científicos da época pensaban que a cor era unha mestura de luz e escuridade e que os prismas “tintaban” a luz.
Para os seus experimentos, Newton usou prismas triangulares de cristal. A luz entra por unha das caras do prisma e refráctase ata descompoñerse en luz de diferentes cores. Os prismas actúan grazas a que a luz cambia a súa velocidade cando pasa do aire ao cristal do prisma. Este experimento demostraba que o prisma non engadía ningunha cor á luz. No seguinte enlace atopamos un artigo onde fala dunha serie de experimentos de importancia histórica na física, entre eles o experimento dos prismas de Newton.
La luz es un tipo de energía que viaja en ondas. Cuando descomponemos la luz blanca en su espectro electromagnético, por ejemplo mediante el prisma de este experimento, se aprencian cada uno de los colores que la conforman. Estos colores no dejan de ser otra cosa que ondas de luz de diferente longitud. En concreto, los colores más violáceos y azules tienen una longitud de onda cercana a los 400 nm, mientras que cuanto más cálido se vuelven los colores mayor es su longitud de onda, por ejemplo los tonos rojos están próximos a los 700 nm. Es precisamente ese rango, 400-700 nm aprox., el que conforma el espectro de luz visible. Por encima de estos valores el ojo humano no “ve” las ondas (como sucede con los infrarrojos), y lo mismo sucede con ondas de longitud inferior a ese rango (por ejemplo, la luz ultravioleta o los rayos X).
El concepto de dispersión consiste en la separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Si trasladamos este efecto a la atmósfera, la dispersión de la radiación se produce como consecuencia de la existencia de partículas en la atmósfera. Estos procesos de dispersión pueden explicar múltiples fenómenos, como por ejemplo el hecho de que el cielo sea azul. El color azul del cielo se debe a la dispersión Rayleigh, cuando la luz solar atraviesa la atmósfera, la mayor parte de la luz roja, anaranjada y amarilla (longitudes de ondas largas) pasan sin ser casi afectadas; sin embargo, las longitudes de onda más cortas (ej. azul) son dispersadas por las moléculas gaseosas del aire. De modo que, al mirar al cielo, lo que vemos es esa luz dispersada (azul). Por otra parte, el Sol se ve amarillento porque la luza que llega directamente del Sol ha perdido parte de su color azul por los fenómenos de dispersión.
Próximo al ocaso, cuando el Sol está próximo al horizonte, su color va cambiando, primero a anaranjado, y posteriormente a rojo como consecuencia de que la porción de atmósfera que debe atravesar es cada vez mayor y se van dispersando cada vez más las longitudes de onda cortas (azul, verde), y sólo nos llega la luz más roja.
Para el estudio de conceptos de óptica como la dispersión de la luz al atravesar un prisma pueden ser muy útiles los laboratorios virtuales, que permitan realizar experimentos de forma interactiva. Permiten trabajar múltiples conceptos con un enfoque más motivador que simples ejercicios y permiten suplir la ausencia de material específicos para prácticas. En el siguiente enlace hay una serie de recursos muy útiles para trabajar conceptos de óptica. La Universidad Politécnica de Madrid tiene un servicio muy avanzado de Laboratorios Virtuales, que reúne múltiples disciplinas desde la física a la biología.
Una aplicación biomédica de este fenómeno es la citometría de flujo, empleada en el diagnóstico de linfomas, leucemias, déficits inmunológicos…
Esta técnica consta de un sistema de fluidos por el que se hace desfilar una serie de células en fila. Sobre cada una de ellas se proyecta un haz de luz láser y, mediante una serie de filtros, espejos y detectores, se analiza la dispersión frontal y lateral de la luz que se produce al incidir sobre esa célula. Estos valores de dispersión estarán relacionados con características de tamaño y granularidad de la célula estudiada. También se pueden teñir distintas proteínas celulares mediante marcadores fluorescentes, que nos ayudarán a completar el estudio.
Se pueden comprender mejor los fundamentos de esta técnica en el siguiente documento.
En su ensayo “”Unweaving the Rainbow” (Destejiendo el Arcoiris), el divulgador Richard Dawkins se lamenta:
“«¿Es la ciencia un modo de entender el mundo que lo priva de cualquier sentido poético? ¿Se esfuma todo atisbo de magia en cuanto el científico desentraña el funcionamiento de la naturaleza? Cuando Newton, con un simple prisma, descompuso la luz blanca en el espectro de colores que se oculta tras ella, ¿despojó de lirismo al arco iris, como le recriminó Keats en un célebre poema?»”
Dawkins, usa como título del ensayo el título de un poema de John Keats, donde el poeta se lamentaba ante el hecho de que el experimento de Isaac Newton hubiera despojado al arco iris de la magia y el misterio que hasta entonces lo había acompañado. Este pasaje es sólo uno de tantos ejemplos en los que la ciencia es percibida como una destructora de ilusiones. Contra ese planteamiento se pronuncia Dawkins en el ensayo, que pretende demostrar que la actividad científica no está reñida con una perspectiva poética de la vida. Destejer el arco iris no implica despojarlo de su belleza, sino todo lo contrario: apreciarla en toda su extensión, toda vez que podemos comprender porqué es tal y como es.
Los halos son fenómenos luminosos atmosféricos similares al arco iris, pero que a diferencia de este se observan del mismo lado del sol o de la luna. Consisten en unos anillos luminosos que se observan concéntricos con el sol o con la luna por lo general en un día seminublado y con viento en el que la presión atmosférica desciende. El halo más común tiene un radio angular de alrededor 22 grados y esta formado por la luz que se refracta en pequeños cristales de hielo (forma de pequeñas barritas con sección hexagonal) en nubes muy tenues y frías. Como la luz es refractada y no reflejada, el efecto de color del arco iris es bastante menos pronunciado. El halo solar o lunar son fenómenos muy poco comunes pero especialmente el halo lunar porque además de las condiciones ambientales, el satélite tiene que estar en su máximo esplendor.
Coincidindo con algún dos comentarios anteriores, considero que este experimento pode contribuir a explicar o porqué da cor azul do ceo.
A explicación baséase na dispersión provocada polas partículas e gases existentes na atmosfera que afecta de xeito máis acusado as ondas de menor lonxitude correspondentes a cor azul.
Este experimento es genial para explicar la naturaleza dual de la luz(onda/partícula). Y también podremos aprovecharlo para explicar por qué los humanos vemos los colores. Al hacer pasar un haz de luz a través de un prisma de cristal, las distintas longitudes de onda que componen el haz de luz viajan dentro de él a diferente velocidad y se curvan de manera diferente al entrar y al salir (doble refracción al cambiar de medio) dando como resultado un haz desviado de la dirección inicial y con sus componentes separados (distintos colores). Así surge el espectro de la luz (que se puede visualizar en la naturaleza por ejemplo en el arco iris). Las radiaciones visibles para el ojo humano están comprendidas entre las siguientes longitudes de onda: desde 350 nm (nanometros) para el color violeta hasta 750 nm para el rojo. Podemos identificar y distinguir los elemento por los colores que emiten. El estudio de los espectros tiene mucha aplicación en la química pues cada elemento químico tiene unos niveles energéticos permitidos por los que circulan los electrones. Los saltos entre estos niveles son los que dan los tipos de radiaciones (los colores) que lo identifican. Cada elemento tiene un espectro característico. El sodio (metal muy reactivo) emite una luz amarilla. Las lámparas que iluminan las carreteras son algunas veces de vapor de sodio aunque cada vez menos. Los coches llevan luces emitidas por gases halógenos (son muy luminosas). Aquí os dejo una applet para explicar el fenómeno del arco iris.
En la fibra óptica la dispersión causa que la señal transmitida, que es en definitiva un pulso de luz, se degrade con la distancia debido a las distintas velocidades que caracterizan a los componentes de la luz. La dispersión es ampliamente utilizada en espectrofotometría. Al conjunto de componentes monocromáticos obtenido se le denomina espectro. Así, cada elemento químico presenta un espectro característico cuando es excitado. El estudio de este patrón permite, por ejemplo, descubrir la composición de estrellas o planetas, así como la cuantificar sustancias (ADN, ARN, proteínas, etc) y microorganismos en disoluciones.
Os experimentos expostos axudan a entender a formación do arco da vella e a observar os sete cores que o compoñen, que xorden como consecuencia da dispersión da luz (vermello, laranxa, amarelo, verde, azul, añil e violeta).
Algúns autores consideran ao arco da vella como un fenómeno natural de orde persoal, o que significa que unha vez que alguén se detén fronte ao arco da vella, o que ve é o seu “propio” arco da vella, formado na súa retina pola reflexión – refracción da luz en certas pingas de auga.
A formación do arco da vella é, por tanto, un fenómeno óptico orixinado pola refracción da luz solar nas pingas de auga suspendidas na atmosfera. Ademais, en ocasións pódese observar un arco da vella dobre. Neste caso, o primeiro arco orixínase por refracción incidente, reflexión interna e refracción saínte de cada raio de luz nalgunha pinga de choiva ou de humidade. O segundo arco require dúas reflexións internas, en lugar dunha soa. Neste segundo arco, as cores aparecen en orde inversa, é dicir, o vermello no interior e o violeta no exterior. Entre o arco primario e o secundario hai unha zona escura, coñecida como banda de Alejandro de Afrodisias. As pingas de auga nesta zona desvían a luz en direccións que non chegan á persoa que observa, o que explica a súa escuridade.
Para hacer simulaciones de este fenomeno, en diferentes condiciones. Pudiendo cambiar el medio, usar diferentes prismas, usar un circulo graduado para medir los angulos de refracción y reflexion, etc. Muy interesante para usar de forma didáctica.
La dispersión es un fenómeno que se produce cuando una onda atraviesa un material/medio y se separa, se dispersa, en diferentes ondas. Esto se aplica a todos los tipos de onda, como las sonoras (las ondas emitidas por la radio y atraviesa el medio del espacio interestelar), o la luz que atraviesa el agua, aire o vidrio. Así cuando un haz de luz blanca atraviesa un prisma de cristal, las radiaciones monocromáticas se desvían por la refracción según su longitud de onda (más desviación cuanto menos es su longitud de onda), separándose en los colores que había establecido Newton (violeta, índigo, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo), rechazando así, que los colores eran una modificación de la luz blanca. Esta capacidad es aprovechada por ejemplo, para fabricar espectrofotómetros, donde se hace incidir un haz de luz monocromática a través de una muestra y medir la cantidad de luz absorbida por esta, permitiendo así, conocer qué tipo y cuánta cantidad de muestra había. Otra aplicación la da la dispersión de Mie, que también es aplicada para medir el tamaño de partículas esféricas a escala nanométrica, en función de cómo dispersen la luz a través de un fenómeno denominado Dynamic light scattering.
Una aplicación de la dispersión es en la fotografía. Os dejo un vídeo sobre varios trucos para emplear con el prisma.
A través de la dispersión, se separan las ondas que componen la luz según su longitud de onda. o lo que es lo mismo, se separan la ondas de diferente frecuencia. En este vídeo se explica el espectro electromagnético y las aplicaciones de las ondas de diferentes frecuencias.
Descartes y Newton consiguieron explicar las características principales del arco iris: la existencia de los arcos primario y secundario, y de la zona oscura que los separa. También pudieron calcular posiciones angulares y la dispersión de la luz formando un espectro. Todo esto es posible recurriendo sólo a la óptica geométrica. En cambio, no podían explicar los arcos supernumerarios. Estos aparecen algunas veces en el lado interno del arco primario. El efecto óptico lo explicó Thomas Young en 1803, demostrando que la luz es capaz de producir interferencias, como se conocía ya en el caso de las olas del agua. Hizo pasar un delgado haz monocromático a través de dos orificios y observó las franjas alternativamente iluminadas y oscuras que se producían. Para más información, se puede consultar este artículo sobre la teoría del arco iris. También se pueden observar en este enlace imágenes de los arcos supernumerarios.
En la siguiente página web del proyecto PhET de la Universidad de Colorado en Boulder USA podemos encontrar simulaciones interactivas gratuitas para la enseñanza y el aprendizaje de ciencias experimentales y, en concreto, relacionadas con esta entrada sobre la dispersión de la luz. En la simulación titulada “Bending Light”, por ejemplo, podemos experimentar con prismas de diferentes formas y crear un arco iris.
Buen experimento para hablar sobre los procesos de reflexión y refracción de la luz y el espectro de luz visible. Una variación de este experimento sería utilizar una recipiente con agua e introducir dentro un espejo. Los rayos de luz entrarían en el agua, se reflejarían en el espejo y luego se refractarían al salir del agua. Aquí la zona de agua entre la superficie y el espejo serían los que actuarían como un prisma.
El efecto de la dispersión de la luz creo que es uno de los más bonitos y curiosos que nos podemos encontrar y que nos llama la atención desde que somos muy pequeños. Muchos experimentos se pueden hacer para observar este fenómeno, uno que me parece realmente llamativo es mediante el uso de CD como el que se muestra en este vídeo, aunque el resultado el similar el origen es distinto, en este caso difracción. La explicación del propio vídeo es mejorable.
La dispersión de la luz es un efecto conocido por todo el mundo por procesos como la formación del arcoiris. Gracias a los primas podemos representar este suceso y enseñar, de manera práctica, cómo funciona. Existen diferentes tipos de prismas que permiten obtener diferentes resultados: el prisma ortogonal desvía la luz en 90º los rayos perpendiculares a la cara incidente y, orientándolo de manera diferente conseguimos desviar el haz de luz 180º, obteniendo el efecto del prisma de Porro; el prisma de Amici, que presenta una forma ortogonal truncada presenta el efecto de partir la imagen por la mitad e intercambiar las porciones derecha a izquierda y es usado normalmente en sistemas telescópicos simples para corregir la reversión producida por las lentes; el pentaprisma desvía el haz de luz en 90º sin afectar la orientación de la imagen; el prisma de Leman-Springer permite enderezar imágenes en sistemas telescópicos como armas. Como podemos ver, existe una amplia variedad de primas con los que probar este efecto de dispersión y que tienen aplicaciones útiles. También me gustaría destacar la importancia del conocimiento de los aportes de Newton en la óptica, ya que su contribución fue significativa y una explicación acerca de sus descubrimientos y su vida utilizando experimentos como este sería de lo más interactivo e interesante.
El fenómeno de la difracción consiste en la curvatura que adopta un haz paralelo de radiación al pasar por una abertura reducida (Skoog, 2008, pp.137). Un caso específico de la difracción es la dispersión, que se caracteriza por ser aquel fenómeno físico por el cual un haz de luz, al incidir sobre un medio transparente, es distribuido por reflexión o transmisión, en un amplio rango de ángulos, generando luz difusa (Matta, 2010, pp. 48). Este fenómeno es empleado como fundamento de técnicas analíticas como la turbidimetría. La turbidimetría es una técnica basada en la medida de la disminución de la luz al atravesar una disolución turbia (Harris, 2013, pp. 144, GL23); es decir, mide la turbidez o dispersión de la luz en una disolución. En el caso particular del estudio de la calidad de agua, se emplea la turbidimetría para conocer la existencia de partículas y otros contaminantes en suspensión. El procedimiento a seguir consiste en situar la muestra de agua encima de un disco de Secchi. Si se observa la disminución de transparencia, existirá mayor turbidez y menor dispersión de la luz.
Refs.: Harris, D.C. (2013). Análisis Químico Cuantitativo. (3ª edición). Reverté; Matta, E.J. (2010). Conceptos básicos sobre anatomía, fisiología y física del color. ECO ciencia y naturaleza, 21, 42-48; Skoog, D.A., Holler, F.J., Crouch, S.R. (2008). Principios de análisis instrumental. Cengage Learning.
El fenómeno de la difracción es muy fácil de llevar al aula utilizando las gafas de difracción. Como complemento al tema del color relacionado, añado un enlace de El País que me pareció muy interesante.
A verdade é que a historia da luz e o que sabemos dela cambiou moito ao largo da historia, incluso a día de hoxe aparecen novas teorías relacionadas con aspectos cuánticos. Recentemente vin un vídeo en español que fala dese tema, o cal me pareceu moi interesante e bonito.
Similar a las gafas mágicas que vimos en clases.
Sen dúbida é un tema moi atractivo e que se pode achegar á aula de moitas maneiras. Na mesma liña paréceme interesante a importancia da dispersión da luz blanca no mundo mariño, pois a medida que se descende van desaparecendo por orde aqueles cores que teñen menos enerxía ou maior lonxitude de onda. En netflix pódese ver un documental do científico Attenborough onde explica este fenómeno, e cómo incluso algunhas especies adaptaron as súas cores a estes cambios.
Una forma de demostrar la Dispersión de Rayleigh, que explica por qué el cielo es azul y los atardeceres son rojizos, como comenta NataliaMC, es mediante la utilización de una piedra preciosa, el ópalo. Debido a que es caro y difícil de conseguir, existe una imitación barata y fácil de obtener en internet, la opalita u opalina, con el mismo comportamiento. La piedra ejerce la misma función que la atmósfera, deja pasar la luz roja y dispersa la luz azul. Aquí os dejo el vídeo con la demostración.
En el experimento realizado por Isaac Newton en 1671, es importante destacar la utilización de dos prismas ópticos triangulares de cristal. En un primer lugar, utilizó un prisma para descomponer la luz blanca obteniendo como resultado una banda de colores. A continuación, utilizó un segundo prisma para refractar los colores de manera que estos se unían de nuevo en luz blanca. Este vídeo resulta interesante para la comprensión del funcionamiento de un prisma a la hora de realizar la descomposición de la luz blanca en colores. Como curiosidad, cabe destacar que este mismo fenómeno de descomposición de la luz está presente en la naturaleza. Las gotas de agua suspendidas en la atmósfera descomponen la luz de manera dando lugar al arcoíris.
Este experimento es muy útil para explicar la composición de la luz y como se comporta cuando interacciona con el medio. El experimento está muy bien desarrollado y explica de forma sencilla y concisa el concepto de refracción, tan importante y con tantas aplicaciones en el día a día.
Este fenómeno permite responder a una pregunta muy básica pero que implica mucha física detrás: ¿por qué el cielo es azul? Dejo un link con la explicación.
El fenómeno de dispersión de la luz suele ser un tema que genera mucha curiosidad en los alumnos. En más o menos ocasiones, todos hemos jugado alguna vez con una regla, un disco o con agua y hemos podido observar como se formaban en mayor o menor medida los colores del arcoíris. La demostración de la dispersión de la luz, permite recrear este concepto en un entorno ideal en el que una luz blanca, se descomponga con total claridad en el conjunto de los colores del arcoíris. Esta explicación, permitirá a los alumnos entender que sucedía cuando jugaban con ese tipo de objetos, y dará pie a que investiguen durante las próximas horas y días con multitud de objetos. En general, me parece una muy buena práctica con la que los alumnos podrán interactuar de manera habitual y fácil, mientras nosotros daremos una explicación en un entorno ideal para que les quede claro el fenómeno que vamos a exponer.
Es interesante ver como están compuestos los diferentes tipos de luz, tal y como observamos en clase a través de las gafas mágicas. Sin duda un experimento a realizar en el aula.
Interesante demostración basada en el experimento de Isaac Newton. Cabría explicar la diferencia entre dispersión y refracción: La refracción es el fenómeno por el cual la luz que se propaga en forma de onda cambia de velocidad al pasar de un medio material a otro distinto, por ejemplo, cambiar del aire al agua. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. Mientras que la dispersión de la luz consiste en la separación de la luz en sus colores componentes por efecto de la refracción. Luego, para qué se de la dispersión de la luz, primero tiene que darse el fenómeno de la refracción.
Me habría venido genial ver esta publicación antes de la entrega de las gafas misteriosas!
Con este experimento los alumnos aprenden qué es la dispersión y porfin pueden darle nombre a este fenómeno tan chulo! Cuando vean un arcoíris comprenderán que la luz se está descomponiendo en los colores al incidir en un medio distinto. A parte, este experimento es muy fácil y rápido de para hacer una demostración en clase.
Esto se debe a que la onda de luz blanca está formada por diferentes ondas de luz con diferentes ángulos de refracción cada una. Al entrar en contacto con el prisma (en la posición correcta), las diferentes ondas se separan, produciendo este fenómeno. Es el mismo efecto que ocurre cuando vemos el arco iris, pero en este caso la lluvia actúa de prisma y los rayos solares son los que se “descomponen” produciendo el arco iris.
Experimento sencillo y rápido de realizar. Con él se les podrá explicar por que se forma el arco iris por ejemplo. En el arco iris lo que actuaría de prisma sería la propia lluvia. Podrían llevarse al aula otros experimentos para demostrar que la luz blanca está compuesta por otros colores, como se expñlica en el ejercicio. Las gafas misteriosas serían idóneas para esto último!
En mi época de estudiante siempre me costó muchísimo entender que la luz blanca estaba compuesta por un espectro de colores como el que se observa en el arco iris. Es una forma muy sencilla de llevar este concepto al aula.
Uns experimentos semellantes pero cos que se obtén unha banda de cores curva, que recorda máis o arco da vella, serían os deste vídeo, realmente relacionado coa difracción :), e estoutro. No segundo intervén a auga, co cal se pode asociar aínda máis ao fenómeno natural.
Experimento muy interesante para llevar al aula… pero que hay de su aplicación más allá de ella. Si miramos por la ventana podemos observar el mejor ejemplo de este fenómeno: el arco iris. Los arco iris surgen de la descomposición de la luz solar blanca en su espectro mediante la lluvia. Observando con ello la refracción de la luz de distintos colores. Como curiosidad podríamos comentar que la luz roja es la que menos se desvía y que por el contraria la violeta, es la que más, de ahí su conformación tan característica.
En la universidad hicimos varios ejemplos en el laboratorio del tema de luz y óptica. Es increíble la diferencia entre cómo es la luz y lo que en realidad percibimos.
Un montaje muy práctico para que los alumnos puedan jugar a “fabricar un arcoíris”, aprendiendo así que la luz blanca se compone por una banda de colores.
La dispersión de la luz es la base de numerosas aplicaciones en ciencia y tecnología. Por ejemplo el análisis espectral en química y astronomía, que permite identificar la composición de materiales y estrellas lejanas.
Un ejemplo de aplicación de la ley de la refracción es la caracterización de nanopartículas en el ámbito de la medicina. En el siguiente artículo se explica cómo mediante técnicas de espectroscopía de dispersión de la luz se consigue obtener información sobre estas nanopartículas: tamaño, estabilidad y cargas superficiales.
Me parece experimento bastante interesante para llevar al aula; es alarmante cómo los alumnos y alumnas pasan de curso y llegan a la universidad o a la vida laboral sin tener claros conceptos tan clave cómo este por no haber tenido buenos ejemplo. Siguiendo con las aplicaciones en ciencia y tecnología que apunta Eunate, el fenómeno de dispersión está también presenta en los láseres, fibra óptica, y óptica atmosférica… ¿Por qué se ve el cielo azul? La dispersión de luz en la atmósfera es responsable de la coloración del cielo durante el día. La dispersión de Rayleigh hace que la luz azul se disperse más que otros colores, lo que da lugar a que veamos el cielo azul.
Me parece un experimento muy curioso, inspirado en los descubrimientos de Newton. Al descomponer la luz blanca con una lámpara halógena y prismas, observamos la riqueza de colores que la componen. La ley de la refracción, que nos muestra cómo diferentes longitudes de onda se refractan con ángulos distintos, es lo primordial. Además, podemos conectarlo con la vida cotidiana por ejemplo cuando las gotas de lluvia actúan como pequeños prismas naturales, creando el espectáculo mágico del arco iris después de una lluvia. Este fenómeno, en el que la luz revela su paleta de colores al atravesar gotas de agua, es una manifestación de los principios ópticos que Newton descubrió. Así, estos conceptos también están presentes en tecnologías cotidianas como cámaras y monitores, donde la interpretación y manipulación de la luz son esenciales. Algo tan común como la luz revela un mundo de maravillas cuando se mira más de cerca.
Se trata de un experimento perfecto para llevar a cabo en el aula. En el ámbito de la biología, muchos equipos utilizan la dispersión de la luz para medir y caracterizar partículas de hasta un mínimo de 1 nm de diámetro. El mecanismo de funcionamiento de muchos de estos equipos se basa en iluminar la muestra con un rayo láser y un fotodetector detecta las fluctuaciones de la luz dispersada en un ángulo de dispersión conocido. Analizando las fluctuaciones de la luz dispersada se obtiene información de las propias partículas.
Muy interesantes todos los experimentos relacionados con la dispersión de la luz. Son perfectos para llevar al aula, ya que son extremadamente visuales y con los que los estudiantes pueden quedar muy sorprendidos. En primero de bachiller, tuve un profesor con el que realizábamos multitud de experimentos de este tipo. Uno que me llamó mucho la atención y que todavía recuerdo fue uno de dispersión realizado con un CD. Muy similar al realizado en el video del siguiente link.