Construcción de un espectrómetro casero para el análisis de espectros de luz, mediante el software Spectral Workbench

 

Construction of a homemade spectrometer for the analysis of light spectra, using the Spectral Workbench software

 

Construção de um espectrômetro caseiro para análise de espectros de luz, utilizando o software Spectral Workbench

 

		Vilma Nohemí Yanchapanta-Bastidas I vilma.yanchapanta@espoch.edu.ec  https://orcid.org/0000-0001-9875-7607
					Nadia Aimee González-López II nagonzalez@utm.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-7225-9036
	Miguel Ángel Sáez-Paguay III miguel.saez@espoch.edu.ec  https://orcid.org/0000-0002-8389-258X
						Richard Willians Pachacama-Choca IV richard.pachacama@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-0007-1901

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: vilma.yanchapanta@espoch.edu.ec

 

Ciencias técnicas y aplicadas

Artículo de investigación

                                                                                       

*Recibido: 16 de mayo de 2020 *Aceptado: 19 de junio de 2020 * Publicado: 22 de julio de 2020

 

I.          Magíster en Física Medica, Biofísica, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Riobamba, Ecuador.

II.        Licenciada de la Universidad Técnica de Manabí, Instituto de Ciencias Básicas, Departamento de Física, Manabí, Ecuador.

III.      Máster Universitario en Física: Radiaciones, Nanotecnología, Partículas y Astrofisica, Biofísico, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Riobamba, Ecuador.

IV.      Diploma Superior en Formulación y Evaluación de Proyectos de Investigación, Magíster en Docencia Universitaria e Investigación Educativa, Doctor en Física, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Riobamba, Ecuador.

Resumen

La construcción de un espectrómetro casero utilizando materiales de fácil acceso y de bajo costo, permite observar la descomposición de la luz blanca en los colores del espectro de luz visible que lo conforman, convirtiéndose en una forma interactiva de analizar el rango de longitud de onda procedente de diferentes fuentes emisoras de luz. Esta herramienta óptica, ayuda al análisis de la intensidad de luz para generar los diferentes espectros, utilizando como red de difracción un pedazo de CD y el software Spectral Worbench instalado en el celular y computador. Se utilizaron 6 fuentes emisoras de luz (foco de luz cálida, foco de luz fría, lámpara de sodio, luz led azul, luz solar). Cada uno de los espectros al ser visualizados en el programa informático, se obtiene los diferentes valores de longitudes de onda, que van desde 620nm hasta 475nm, a excepción del foco led que solo muestra la longitud de onda correspondiente al color azul y la luz emitida por el sol que presenta valores de longitud de onda que va desde los 450nm hasta los 620nm.

Palabras claves: Espectroscopio; longitud de onda; difracción; fuentes de luz.

 

Abstract

The construction of a homemade spectrometer using easily accessible and low-cost materials, allows observing the decomposition of white light in the colors of the visible light spectrum that make it up, making it an interactive way to analyze the wavelength range coming from from different light emitting sources. This optical tool helps to analyze the light intensity to generate the different spectra, using a piece of CD and the Spectral Worbench software installed on the cell phone and computer as the diffraction grating. 6 light emitting sources were used (warm light bulb, cold light bulb, sodium lamp, blue LED light, sunlight). Each of the spectra when viewed in the computer program, the different values of wavelengths are obtained, ranging from 620nm to 475nm, with the exception of the LED spotlight that only shows the wavelength corresponding to the blue color and the light emitted by the sun that presents wavelength values ranging from 450nm to 620nm.

Keywords: Spectroscope; wavelength; diffraction; light sources.

 

 

Resumo

A construção de um espectrômetro caseiro usando materiais facilmente acessíveis e de baixo custo, permite observar a decomposição da luz branca nas cores do espectro de luz visível que o compõe, tornando-o uma maneira interativa de analisar a faixa de comprimento de onda proveniente de de diferentes fontes emissoras de luz. Essa ferramenta óptica ajuda na análise da intensidade da luz para gerar os diferentes espectros, usando um CD e o software Spectral Worbench instalado no telefone celular e no computador como grade de difração. Foram utilizadas 6 fontes emissoras de luz (lâmpada quente, lâmpada fria, lâmpada de sódio, luz azul LED, luz do sol). Cada um dos espectros, quando visualizados no programa de computador, obtém os diferentes valores de comprimentos de onda, variando de 620nm a 475nm, com exceção do refletor LED que mostra apenas o comprimento de onda correspondente à cor azul e à luz emitida pelo sol que apresenta valores de comprimento de onda variando de 450nm a 620nm.

Palavras-Chave: Espectroscópio; comprimento de onda; difração; fontes de luz.

 

Introducción

Teniendo en cuenta la necesidad de un interés colectivo para el desarrollo de la ciencia y la falta de recursos económicas para el fortalecimiento de equipos didácticos en la educación, es imprescindible generar medidas de optimización de recursos educativos que ayuden al entendimiento de los fenómenos científicos físicos que ocurren en la naturaleza (Heredia Ávalos, 2009). Mediante el análisis de los diferentes fenómenos naturales que ejerce una diferenciación en los campos de estudio que se desea conocer, particularmente, en este trabajo, se busca construir un espectroscopio casera haciendo uso de conocimientos básicos en la Óptica, que es un rama de la ciencia encargada del estudio de los orígenes, propagación y la detección de la luz (Espinoza, Hernandez, Salmerón, Sánchez, & Lié, 2016). Según esta ciencia, ningún espectro es similar a otro, ya que estos presentan características propias de los elementos que emiten o reflejan la luz. En la región visible del espectro electromagnético, cada fuente de luz tiene un espectro característico, y para su detección y análisis, es indispensable la utilización de espectrómetros (Schaum, 2007).

Un espectrómetro conocido también como espectrofotómetro, es un instrumento utilizado en la Óptica para medir las propiedades físicas de la luz de una determinada zona del espectro (Lago Santolaya, 2010). Permite observar la descomposición de la luz blanca en los colores del espectro de luz visible que lo conforman al difractarse en un prisma o en una rejilla de difracción (García, 2018). Estos equipos contienen dos partes esenciales para su funcionamiento: un separador que aísla las radiaciones monocromáticas y un receptor que realiza un estudio de las mismas. Dependiendo del sistema difractor, se visualiza el espectro correspondiente generado por los elementos al absorber la luz (Lévy, 2006).

Cada elemento que forma una determinada fuente de emisión de luz está compuesto por diferentes estructuras electrónicas, mismas que al ser excitadas por algún estímulo externo, emiten una luz propia, formando un patrón de líneas brillantes diferenciadas por su longitud de onda. A esta representación de intensidad versus longitud de onda se lo conoce como espectro de emisión (Durán Benito, Sanmartin Grijalba, Uriz Huarte, Sola Larrañaga, & García Mora, 2018).

Los espectrofotómetros, por su gran aplicabilidad en los fenómenos generados por la luz (Nabarro, 2015), son dispositivos electrónicos de muy alto costo, por lo que se limita muchas veces al estudio del comportamiento de la luz (Savall-Alemany, Domenech-Blanco, & Martinez-Torregrosa, 2014), por lo que en este trabajo se busca construir un espectrómetro casero que permita observar el comportamiento de la luz de una manera sencilla y sobre todo que este al acceso económico de la mayoría de los estudiantes y de las instituciones de educación (Montoya Rossi, Baltuano , & Arbildo López, 2013).

Para la interpretación o lectura de los espectros de emisión de luz, se hizo uso de la tecnología móvil que avanza con el tiempo y aprovechando que algunos de los estudiantes cuentan con smartphones se utilizó como puente de funcionalidad el Software Spectral Workbench, que es una aplicación basado en la web para recopilar espectros (Balado Sánchez, 2018).

Metodología

Para la construcción y evaluación de los espectros de luz se consideró el siguiente proceso: i) Indagación de información preliminar sobre espectroscopios, ii) Análisis del principio físico de funcionamiento del espectroscopio, iii) Selección de fuentes y digitalización de espectros, iv) Análisis de espectros de luz mediante su de longitud de onda

Indagación de información preliminar sobre espectroscopios

Mediante una amplia revisión bibliográfica, sobre el estado del arte del marco conceptual de espectroscopios y su aplicación, se determinó que el espectroscopio es un instrumento óptico usado principalmente para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético. Se utiliza básicamente para realizar análisis espectroscópicos en la identificación de materiales (García, 2018).

Análisis del principio físico de funcionamiento del espectroscopio

Un patrón de difracción se produce cuando las ondas atraviesan aberturas pequeñas o rodean obstáculos y/o bordes afilados. Por ejemplo, cuando se coloca una rejilla estrecha entre una fuente luminosa distante monocromática y una pantalla, la luz produce un patrón de difracción con un máximo central rodeado por una serie de bandas secundarias de menor intensidad (máximos secundarios) y una serie de bandas oscuras o mínimos (Pascual, 2018).

La respuesta de los espectros de luz, es independientemente del diseño del espectroscopio y del elemento dispersor. La característica fundamental para el análisis de esta información, es la resolución espectral (R), que indica la capacidad del espectroscopio para separar dos líneas muy próximas:

Donde:

λ representa la longitud de onda y δλ relaciona la pureza espectral que depende del sistema óptico que estemos utilizando, con el ancho que tendría una línea monocromática al observarse con el espectroscopio.

Este espectrómetro, utiliza como red de difracción un CD donde las redes de difracción se basan en interferencias constructivas que se producen cuando la luz atraviesa una sucesión de obstáculos lineales equiespaciados. Estas interferencias constructivas se producen a distintos ángulos respecto de la línea de incidencia de la luz. Depende fundamentalmente de la longitud de onda difractada; de modo que al incidir una luz blanca se conseguirá una dispersión en todas las longitudes de onda del espectro visible. Cuando la luz pasa por las estrechas ranuras, la difracción convierte cada ranura en una nueva fuente de luz, que estas interactúan o interfieren con la luz en la misma longitud de onda de otras ranuras pudiendo reforzarse una con otra, creando una interferencia constructiva, tambien pueden cancelarse y convertirse en invisibles, produciendo una interferencia destructiva. Estas interferencias dependen de un ángulo único de la rejilla (Universidad Complutense Madrid, 2014)

Para describir el efecto de una red de difracción se utiliza la siguiente fórmula.

 

Donde: m representa el orden de difracción λ la longitud de onda, ϑ el paso de la red (separación entre obstáculos), α es el ángulo de incidencia y β el ángulo de difracción.

La red de difracción que viene a ser en este caso la capa del CD que es la parte que permite la descomposición de la luz. Esta contiene varios agujeros pequeños separados radialmente por ranuras espirales. Este espaciamiento es ligeramente más grande que la longitud de onda de luz visible, lo que produce la descomposición en colores que se observan cuando se inclina el CD de un lado a otro con una fuente de luz (Olmo, 2014).

Selección de fuentes y digitalización de espectros

Las fuentes de luz a utilizar son 6 con diferentes longitudes de onda como el foco de luz cálida, foco de luz fría, lámpara de sodio, luz solar, luces LED. Se escogieron estas, por su estructura y composición diferente.

Para la digitalización de los espectros se utilizó el Software Spectral Worbench que sirve para realizar el análisis óptico en función de la intensidad luminosa y longitudes de onda procedentes de cada una de las fuentes de luz. Este tiene como función mostrar los espectros emitidos permitiendo la visualización de los mismos en 2 dimensiones, en el eje de las abscisas se muestra el valor de longitud de onda (λ) y en el eje de las ordenadas la intensidad (I) (Navarro, 2015). Este software está instalado en dispositivos electrónicos como una computadora y un celular.

Análisis de espectros de luz mediante su de longitud de onda

Para adquirir los espectros de luz previo a su análisis, el teléfono celular es ubicado de manera perpendicular a la red de difracción, para que la cámara del teléfono móvil pueda captar el espectro de luz completo, el teléfono, está vinculado a la computadora portátil que tiene instalado el software Spectral Worbench que es una aplicación libre online (Peña, 2012) (Figura 1).

 

 

Figura 1: Esquema utilizado para la adquisición de los espectros de luz

 

Fuente: Elaboración propia

 

Resultados y Discusión

En la tabla 1 se observa los espectros de emisión de luz de cada una de las fuentes utilizadas:

La fuente de luz cálida que tiene un filamento de tungsteno, el cual es muy fino y se halla contenido dentro de una ampolla de vidrio (al vacío) rellenado con un gas inerte, para evitar que el filamento se volatilice por las altas temperaturas que se generan dentro de él (Enriquez, 2004)  presenta un espectro discontinuo que va desde el azul hasta el rojo con una longitud de onda de 450-750 nm respectivamente, información que corrobora (Ordóñez, 2012).

El foco de luz fría o también conocido como foco ahorrador, presenta un espectro discontinuo de absorción, el cual tiene una longitud de onda que va desde el color azul hasta el rojo con excepción del color amarillo (570-590 nm) (Ordóñez, 2012).

Tabla 1: Espectros de luz generadas por las 6 fuentes utilizadas en esta investigación

Fuente	Espectro de luz	Objeto utilizado
Luz cálida
Luz fría
Lámpara de sodio
Foco LED
Sol

 

 

A diferencia de las otras fuentes de luz, la lámpara de sodio con espectro continuo tiene valores de longitudes de onda que va desde el azul, hasta el rojo; este presenta cierta peculiaridad en el color amarillo (570-590 nm), el cual presenta mayor intensidad que la luz cálida, esto se debe al elemento fundamental que forma este tipo de lámpara, el sodio. El foco LED utilizado en las luces navideñas, presenta un espectro monocromático, únicamente presenta el color azul con longitud de onda (450-475 nm) y por último la luz solar presenta un espectro continuo (Sánchez & Pedraza, 2011)con todas las longitudes de onda del espectro de luz visible que se encuentran en una longitud de onda de 380-750 nm que corresponde a los colores Rojo, naranja, amarillo, verde, ciano, azul, violeta como se observa en la tabla 2.

Tabla 2. Fuentes utilizadas asociadas a su longitud de onda

 

	FUENTE	COLORES
	Foco de luz cálida	Rojo, naranja, verde, cian, azul
	Foco de luz fría	Rojo, naranja, verde, cian, azul
	Lámpara	Rojo, naranja, verde, cian, azul
	Linterna	Rojo, naranja, verde, cian, azul
	Foco led	azul
	Sol	Rojo, naranja, amarillo, verde, ciano, azul, violeta

Fuente: ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.

 

Conclusiones

·        El espectroscopio construido con cartulina negra y un pedazo de CD como red de difracción, funcionó de manera correcta debido a que los espectros visibles obtenidos por cada una de las fuentes de luz, tienen las longitudes de onda específicas para cada color según el espectro electromagnético en el rango de luz visible, valores que son sustentados por (Durán Benito, Sanmartin Grijalba, Uriz Huarte, Sola Larrañaga, & García Mora, 2018)

·        El espectrómetro casero es un instrumento óptico de muy bajo costo, que permite observar el comportamiento de la luz de una manera sencilla de los diferentes tipos de fuentes, incluso es factible conocer el elemento que lo compone y sobre todo que está al acceso económico de la mayoría de los estudiantes e Instituciones educativas.

·        De las 5 fuentes utilizadas dan como resultado diferentes tipos de espectros dependiendo del material utilizado (en el caso de las bombillas) y la temperatura a la cual se encuentre (sol), el foco de luz fría muestra las líneas espectrales claramente diferenciadas; la lámpara de sodio también manifiesta un espectro continuo, el foco led presenta un espectro discontinuo y finalmente el sol presenta un espectro continuo en todas las longitudes de onda;

·        Cada fuente dependiendo de la emisión de luz, al pasar por la red de difracción muestra los diferentes valores de longitudes de onda, que van desde 620 nm (color rojo)  hasta 475 nm (color azul), a excepción del foco led que solo muestra la longitud de onda correspondiente al color azul (450-475 nm) y la luz emitida por el sol, que dependiendo de su temperatura, muestra valores de longitud de onda que va desde los 450 nm (color violeta) hasta los 620 nm (color rojo).

 

Referencias

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