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Experimento de Herschel en la banda infrarroja

En el año 1800, Sir William Herschel descubrió la existencia de los rayos infrarrojos realizando un experimento muy similar al que mostramos aquí. Herschel hizo pasar luz solar a través de un prisma, lo que produjo la división del haz de luz incidente en un arco iris, que científicamente se denomina espectro. El espectro contiene todos los colores que componen la luz del sol. Herschel estaba interesado en medir la cantidad de calor asociada con cada banda de color. Para ello, utilizó termómetros con bulbos ennegrecidos y midió la temperatura de los diversos colores del espectro. Herschel notó que la temperatura aumentaba a medida que pasaba de los componentes azules del espectro a los componentes rojos. Luego colocó un termómetro un poco más allá de la parte roja del espectro, en una región donde no había luz visible, y descubrió que la temperatura era aún más alta. Herschel razonó que por debajo de la longitud de onda del rojo existía otro tipo de luz que no podía ver y la denominó luz infrarroja.

Es muy fácil repetir este experimento. Todo lo que se necesita es un prisma equilátero de cristal, tres termómetros de alcohol, cinta adhesiva, una hoja de papel blanco, y una ventana o una caja de cartón que enfrenten al sol. El costo del prisma que nosotros utilizamos es de unos US$ 7,50 y el de los termómetros, US$ 0,75 cada uno. Para realizar el experimento es necesario ennegrecer los bulbos de los termómetros. Para ello, se cubren los termómetros con cinta adhesiva y después se pintan los bulbos con pintura sin brillo de color negro (esto permite que absorban mejor el calor).

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En la imagen anterior se puede ver cómo realizar este experimento al aire libre. Se pone la hoja de papel blanco en el fondo de la caja de cartón y se coloca el prisma en uno de los bordes. El prisma se hace girar hasta obtener una amplia gama de colores en el papel del fondo de la caja y se fija en esa posición mediante la cinta. En nuestro caso, para obtener un buen espectro, tuvimos que levantar el extremo de la caja donde se encontraba el prisma y sostenerlo allí mediante una piedra.

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Primero, se toma la temperatura de los termómetros lejos del espectro, en el área de la caja donde hay sombra. La imagen anterior muestra la temperatura antes de colocar los termómetros en el espectro. Los tres marcan 24 °C, que es la temperatura ambiente al aire libre y a la sombra.

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Luego, los termómetros se colocan en el espectro: el bulbo de la izquierda; en la parte azul; el bulbo central, en la parte amarilla; y el bulbo de la derecha, un poco más allá de la parte roja del espectro, en la región donde no hay luz visible.

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La imagen anterior muestra las lecturas de temperatura después de un minuto, aproximadamente. (Para que las temperaturas alcancen su valor final, se requieren varios minutos.) En menos de un minuto ya se puede apreciar una diferencia de temperaturas. El termómetro en la zona azul del espectro muestra la lectura más baja, apenas más alta que la temperatura ambiente. La zona amarilla del espectro muestra una temperatura mucho más alta que la del azul. El termómetro de la derecha, que está en la región de sombra apenas más allá del rojo, muestra la temperatura más alta de todas. (Cuando se tomó esta imagen, el sol se había desplazado levemente y el bulbo de la derecha aparece ligeramente iluminado por el espectro rojo.)

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Las diferencias entre las tres lecturas de temperatura continúan aumentando hasta que se alcanzan las temperaturas finales (mostradas arriba). Se puede ver ahora que el área oscura muestra una temperatura mucho más alta que las áreas que se encuentran en las regiones iluminadas.

Las lecturas finales son:   azul: 27 °C   amarillo: 28 °C   infrarrojo: 30 °C

Notas:

  1. Las diferencias entre las temperaturas registradas en los diferentes colores del espectro varían con el ancho del espectro —el cual depende de la hora del día— y de la distancia al prisma —que es proporcional a la altura de la caja. De cualquier manera, la temperatura tiende a aumentar desde el azul hacia el infrarrojo.
  2. Todas las longitudes de onda por debajo de la luz infrarroja se comprimen en una región pequeña, un poco más allá del rojo (vea Conciliación del experimento de Herschel) [página en Inglés]. Para la altura de las cajas de cartón comunes (30 cm), no se observan longitudes de onda solares más allá de unos 4 mm del extremo del rojo, de modo que el termómetro “infrarrojo” se debe colocar junto al borde del espectro observado.
  3. Si fuera posible colocar el prisma a mayor distancia del fondo de la caja, el espectro proyectado se alargaría y habría más espacio para explorar la banda infrarroja. Sin embargo, la diferencia en las lecturas del termómetro sería más pequeña, ya que interceptarían menos energía.

El experimento de Herschel fue importante, no sólo porque condujo al descubrimiento de la luz infrarroja, sino también porque fue la primera vez que alguien demostró que existía luz que no es posible ver con los ojos. Sabemos ahora que hay muchos tipos de luz y que los colores visibles son solamente una parte muy pequeña de la gama completa que denominamos espectro electromagnético.



El Telescopio Espacial Spitzer es una misión de la NASA operada y administrada por el Laboratorio de Propulsión a Reacción (Jet Propulsion Laboratory). Este sitio en la Red es mantenido por el Grupo de Educación y Difusión Pública en el Centro Científico Spitzer, localizado en el Instituto Tecnológico de California (California Institute of Technology), y que forma parte del Centro de Análisis y Procesamiento Infrarrojo (IPAC) de la NASA.

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