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El espectro de la luzEl espectro de la luz

Dra. Rosa Martha TorresDra. Rosa Martha Torres

NewtonNewton

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Isaac Newton (1643-1727)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



La luz blancaLa 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



El arcoirisEl arcoiris



Descomposición de luz blancaDescomposición de luz blanca



EspectroEspectro● 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



HerschelHerschel



William Herschel (1738-1822)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 TorresDra. Rosa Martha Torres Astronomía General para la Licenciatura en Estudios LiberalesAstronomía General para la Licenciatura en Estudios Liberales [email protected] [email protected]. Rosa Martha TorresDra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.comwww.rosamarthatorres.com [email protected] [email protected]


Experimento de HershelExperimento 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



Experimento de HershelExperimento 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



Experimento de HershelExperimento de Hershel

Dra. Rosa Martha TorresDra. Rosa Martha Torres Astronomía General para la Licenciatura en Estudios LiberalesAstronomía General para la Licenciatura en Estudios Liberales [email protected] [email protected]. Rosa Martha TorresDra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.comwww.rosamarthatorres.com [email protected] [email protected]


Experimento de “rayos caloríficos”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



Experimentos realmente importantesExperimentos 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



Faraday y MaxwellFaraday y Maxwell



Michael Faraday (1791-1867)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



Michael FaradayMichael 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



James Clerk Maxwell (1831-1879)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



Ecuaciones de MaxwellEcuaciones de Maxwell



Aportaciones de MaxwellAportaciones 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



Radiación electromagnéticaRadiación electromagnética



Radiación electromagnéticaRadiación 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



Radiación electromagnéticaRadiación electromagnética



Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético● Se trata de ordenar la radiación Se trata de ordenar la radiación

electromagnética de acuerdo a su electromagnética de acuerdo a su

● El arcoiris es la parte visible del espectroEl arcoiris es la parte visible del espectro● La La de la parte visible va desde 4x10 de la parte visible va desde 4x10-7-7 m m

hasta 7x10hasta 7x10-7-7 m (400 a 700 nm) m (400 a 700 nm)● Pero el espectro electromagnético es mucho Pero el espectro electromagnético es mucho

más grande y va desde más grande y va desde = 10 = 10-12-12 m hasta 10 m hasta 1033 m m



Radiación electromagnéticaRadiación 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



Sol y mano a diferentes Sol y mano a diferentes



Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético



Telescopios ópticosTelescopios ópticos



Telescopios ópticosTelescopios 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



InstrumentosInstrumentos● 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



EspectrógrafoEspectrógrafo● 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



FraunhoferFraunhofer



Joseph von Fraunhofer (1787-1826)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



EspectroscopioEspectroscopio



Joseph von FraunhoferJoseph 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



La interacción de la luz y la materiaLa interacción de la luz y la materia


Absorción y emisiónAbsorción y emisión


Espectro continuoEspectro 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


Tipos de espectroTipos de espectro

Espectro continuo+ líneas absorbidaspor el gasPrisma

Gasfrío

Líneas emitidaspor el gasPrisma

Gascaliente

Espectro continuoPrisma



Tipos de espectroTipos de espectro



Espectros de emisión en laboratorioEspectros de emisión en laboratorio



Espectros de absorción en laboratorioEspectros de absorción en laboratorio



Espectro de estrella y nebulosaEspectro de estrella y nebulosaLa estrella tiene una “lámpara” en suscapas 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 suscapas internas pero sí tiene un “gas”,y lo que se obtiene es un espectro de emisión



EstrellasEstrellas● 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 absorciónDra. Rosa Martha TorresDra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.comwww.rosamarthatorres.com [email protected] [email protected]


Espectro estelarEspectro 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.



Espectro del SolEspectro del Sol



Líneas de FraunhoferLíneas de Fraunhofer



Espectros estelaresEspectros estelares


Espectros de estrellasEspectros de estrellas



Tipo espectralTipo 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


Annie Jump Cannon (1863-1941)Annie Jump Cannon (1863-1941)



Espectros de estrellasEspectros 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



Espectros de estrellasEspectros de estrellas



Encontrando elementosEncontrando 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 estrellasDra. Rosa Martha TorresDra. Rosa Martha Torres www.rosamarthatorres.comwww.rosamarthatorres.com [email protected] [email protected]


Eliminando elementosEliminando 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



Los espectros dicen muchoLos espectros dicen mucho

LÍNEAS DE BALMER Débil Media Fuerte Media Débil Muy débil Muy débil

LÍNEAS DEABSORCIÓN

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

OTRASCARACTERÍSTICAS

Helio ionizado Helio neutro Calcio ionizado débil

Calcio ionizado débil

Calcio ionizado medio

Calcio ionizado fuerte

Óxido de Titanio fuerte

CLASE O B A F G K M

TEMPERATURA (°K) 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

COLOR 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

LUMINOSIDAD (Lsol) 140,000 20,000 80 6 1.2 0.4 0.04

EJEMPLO Naos Rigel Sirio A Polaris A Sol Centauri B Gliese 581



Tamaño de las estrellasTamaño de las estrellas


FinFin

Presentación en:Presentación en:www.rosamarthatorres.comwww.rosamarthatorres.com

entrando en “Presentaciones de divulgación”entrando en “Presentaciones de divulgación”en el menú de la izquierdaen el menú de la izquierda



Construyendo un espectroscopioConstruyendo un espectroscopio



Lámpara fluorescenteLámpara fluorescente● Tiene un gas adentro, pero no un cuerpo

negro, por lo tanto, lo que ves es un espectro de emisión


Líneas emitidaspor el gasPrisma

Gascaliente


Lámpara fluorescenteLámpara 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



Lámpara fluorescenteLámpara fluorescente



Espectro de una lámpara Espectro de una lámpara fluorescentefluorescente


400 500 600 700 8000

1000

2000

3000

4000

Intensity (Counts)

Wavelength (nanometres)

1

2

4

512

6

7

8 9

10

11 13 14

15 1617 18

1920 21 22

3


Espectro de una lámpara Espectro de una lámpara fluorescentefluorescente



FinFin



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