Experimento de Herschel en la banda infrarroja

OBJETIVO: Repetir el experimento de 1800, mediante el cual el famoso astrónomo Sir William Herschel descubrió una forma de radiación distinta de la luz visible.

ANTECEDENTES: Herschel descubrió la existencia de la luz infrarroja haciendo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio, en un experimento similar al que describimos aquí. La luz solar, al pasar a través del prisma, es dispersada en un arco iris de colores denominado espectro. El espectro contiene todos los colores visibles que componen la luz del sol. Herschel estaba interesado en medir la cantidad de calor en cada uno de los colores y para ello utilizó termómetros con bulbos ennegrecidos para medir sus distintas temperaturas. Herschel notó que la temperatura aumentaba al pasar de la parte azul a la parte roja del espectro visible. Colocó entonces 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 todavía más alta. Herschel concluyó que existía otro tipo de luz más allá del rojo, que no podemos ver. Este tipo de luz luego se llamó infrarrojo. El prefijo infra proviene de la palabra latina que significa abajo. Aunque el procedimiento que describiremos es un poco diferente al experimento original de Herschel, los resultados obtenidos son similares.

MATERIALES: Un prisma de vidrio (los prismas de plástico no dan buen resultado con este experimento), tres termómetros de alcohol, pintura negra o un rotulador o marcador permanente de tinta negra, tijeras, un soporte para el prisma, una caja de cartón y una hoja blanca.

PREPARACIÓN: Para realizar el experimento eficazmente, es necesario ennegrecer los bulbos de los termómetros . Una forma de hacerlo es pintarlos con la pintura negra, cubriéndolos con una cantidad casi igual de pintura. También es posible ennegrecer los bulbos usando el rotulador permanente de tinta negra. (Nota: los bulbos pintados producen mejores resultados.) Los bulbos de los termómetros se ennegrecen para que absorban mejor el calor. Después de que la pintura o la tinta se hayan secado totalmente, coloque los termómetros juntos de tal forma que las escalas de temperatura queden alineadas como se muestra en la Figura 1.


Figura 1

PROCEDIMIENTO: El experimento se debe conducir al aire libre, en un día soleado. Las condiciones de nubosidad variable, tales como la presencia de cúmulos dispersos o neblina pesada, reducen el efecto. La disposición del experimento se muestra en la Figura 1. Se comienza colocando la hoja blanca, en forma plana, en el fondo de la caja de cartón. En el siguiente paso, el prisma se coloca cuidadosamente en el borde superior de la caja, de modo que quede del lado del sol.

Figura 2

Si no se dispone de un soporte para prisma (puede adquirirse en tiendas de artículos científicos), la manera más fácil de montarlo es cortar parte del borde superior de la caja. La muesca del recorte debe sostener el prisma de forma ajustada y permitir su rotación sobre su eje longitudinal (tal como se muestra en la Figura 2). Es decir que los cortes verticales laterales se deben realizar a una distancia ligeramente menor que la longitud del prisma, en tanto que el corte inferior debe ser un poco más profundo que el ancho del prisma. Luego, el prisma se coloca dentro del recorte y se hace girar hasta que aparezca un espectro lo más amplio posible en la zona de sombra, sobre la hoja blanca situada en el fondo de la caja. (Para ver imágenes que ilustran el experimento, haga clic aquí.)

Para obtener una amplia gama de colores, posiblemente sea necesario levantar ligeramente el extremo de la caja del lado del sol. Después de asegurar el prisma en posición, coloque los termómetros a la sombra y registre la temperatura ambiente. Coloque ahora los termómetros en la luz del espectro, de manera que cada bulbo esté en uno de los colores: uno en la región azul, otro en la región amarilla, y el tercero un poco más allá de la región roja visible (vea la Figura 3).


Figura 3

Las temperaturas demoran unos cinco minutos en alcanzar sus valores finales. Registre las temperaturas en cada una de las tres regiones del espectro: azul, amarillo y un poco más allá del rojo. Mientras lee las temperaturas, no retire los termómetros del espectro y no bloquee su luz.

DATOS Y OBSERVACIONES:

 

Termómetro No. 1

Termómetro No. 2

Termómetro No. 3

 Temperatura a la sombra

 

 

 

Temperatura en el espectro

Termómetro No. 1 (azul)

Termómetro No. 2 (amarillo)

Termómetro No. 3 (más allá del rojo)

 Después de 1 minuto

 

 

 

 Después de 2 minutos

 

 

 

 Después de 3 minutos

 

 

 

 Después de 4 minutos

 

 

 

 Después de 5 minutos

 

 

 

Nota: Según la posición del prisma con respecto al sol, los colores del espectro pueden aparecer en orden inverso al que se muestra en las figuras.

PREGUNTAS: ¿Qué nota en las lecturas de temperaturas? ¿Se aprecia alguna tendencia? ¿Dónde ocurre la temperatura más alta? ¿Qué cree que existe más allá del borde rojo del espectro? Discuta cualquier otra observación o problema.

OBSERVACIONES PARA EL PROFESOR: Pida a los estudiantes que contesten las preguntas anteriores. Las temperaturas de los colores deben aumentar al avanzar del azul a la parte roja del espectro. La temperatura más alta debe ser la del termómetro ubicado más allá de la sección roja del espectro visible. Ésta es la región infrarroja del espectro. El experimento de Herschel fue importante, no sólo porque condujo al descubrimiento de la luz infrarroja, sino también porque fue la primera vez que se demostró que existen formas de luz que no podemos apreciar con los ojos. Ahora sabemos que hay muchos otros tipos de radiación electromagnética ("luz") que el ojo humano no puede ver (tales como los rayos X, los rayos ultravioletas y las ondas de radio). Quizás desee pedir a los estudiantes que midan las temperaturas en otras áreas del espectro, tales como la zona ubicada un poco más allá del azul visible. También puede realizar el experimento a distintas horas del día; las diferencias entre las temperaturas de los colores pueden cambiar, pero las comparaciones relativas seguirán siendo válidas.