Espectrógrafo

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Espectrógrafo
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Instrumento óptico que deja registrado en una placa fotográfica el espectro de una señal luminosa.

Espectrógrafo. Instrumento de medición destinado al estudio de los espectros de los cuerpos físicos, el mismo registra fotográficamente, o por medio de detectores fotosensibles, los diferentes componentes del espectro. Su estructura es similar a la del espectroscopio, sustituyendo el ocular por una placa fotográfica o un detector.

Contenido

Orígen.

El primer experimento de espectroscopia fue realizado por Newton entre 1666 y 1670. Su experimento consistió en pasar la luz del Sol por un prisma triangular y observó que la luz blanca del Sol al pasar por un prisma se dispersa, y cada color es desviado con un ángulo que depende de su longitud de onda (color).

La luz roja (mayor longitud de onda) se dispersa menos que la azul (menor longitud de onda). La observación del espectro y de sus características se ha realizado durante muchos años a partir del siglo XVIII, pero su interpretación física y química, no se dio hasta finales del siglo XIX. Wollaston, a principios del siglo XIX, observó varias líneas oscuras en el espectro solar y Fraunhofer, en 1814 y 1815, las clasificó y su nomenclatura sigue vigente. Estas líneas son conocidas como “líneas de Fraunhofer”.

En 1868, durante la observación de un eclipse de Sol, se detectaron unas líneas que no habían sido observadas con anterioridad. Se trataba de las líneas producidas por el Helio. (el nombre viene del Griego Helios=Sol). El Helio fue detectado por primera vez en la Tierra en 1895 como producto secundario de unas muestras de Uranio radioactivo. Este descubrimiento fue fundamental para la astrofísica, porque permitió, décadas más tarde, descubrir que la energía del Sol era producida por la fusión del Hidrógeno para formar el Helio. Kirchhoff y Bunsen en 1850, fundaron el análisis espectroscópico. Sus primeras observaciones determinaron que calentando un elemento químico puro, y pasando su luz a través de una delgada rendija y después por un prisma, se observa una serie de líneas brillantes que corresponden a una serie de longitudes de onda (colores) únicas para cada elemento (su firma espectroscópica). Este descubrimiento fundamental, permite determinar los elementos químicos que componen cualquier material y, obviamente, de las estrellas.

Principio de funcionamiento.

En un espectrógrafo, el ocular se sustituye por una cámara. Se pueden calcular sus longitudes de onda a partir de sus posiciones en la película fotográfica. Existen dos tipos de espectrógrafo: Espectrógrafo con prisma y Espectrógrafo con rejilla de difracción ambos tienen el miso principio de funcionamiento la única diferencia es en el elemento encargado de crear el espectro, en un caso es el prisma y en el otro la rejilla de difracción.

Componentes del Espectrógrafo.

El espectrógrafo se encuentra formado por los siguientes componentes:

Telescopio.

Sirve para amplificar la luz de los objetos que se van a observar, pero no tiene ni ocular ni cámara.

Rendija.

La imagen producida por el telescopio se enfoca sobre una rendija la cual define el tamaño y la porción de la imagen de la cual se necesita obtener el espectro. La imagen de la rendija será enfocada sobre la superficie del detector, de tal forma que las dimensiones de la rendija definen la resolución del instrumento. Una rendija ancha produce la entrada de una mayor cantidad de luz, genera una imagen más grande y por lo tanto menor resolución. Una rendija delgada produce una entrada menor de luz y genera una imagen de menor tamaño pero con mayor resolución.

Colimador.

Sirve para producir un haz de luz paralelo cuya dimensión coincida con las dimensiones del prisma.

Prisma.

Sirve para dispersar la luz. Las dimensiones, la forma y el tipo de vidrio, determinan la medida de la dispersión de la luz.

Lente y detector .

En el caso de que la observación del espectro sea visual, el lente es un ocular y el detector es el ojo. Si el espectro se registra en una película o en un CCD, la longitud focal del lente determina la amplificación del espectro, determinando la cantidad de detalles visibles y su luminosidad.

Resolución de un espectrógrafo.

La resolución de un espectrógrafo se define como la capacidad de separar claramente dos líneas del espectro, cercanas entre si, de tal forma que puedan ser determinadas sus respectivas longitudes de onda.

ℜ = λ / Δλ

donde ℜ = resolución

λ = longitud de onda de la línea

Δλ = diferencia entre la longitud de onda de dos líneas cercana

Los espectrógrafos se clasifican de acuerdo a la resolución con la que pueden separar las líneas del espectro:

Baja resolución: ℜ < 1000

Media resolución: 1000 < ℜ > 10,000

Alta resolución: ℜ > 10,000

Aplicaciones

Los espectrógrafos son útiles en las regiones ultravioleta y visible del espectro, y también en la zona infrarroja. Con un espectrógrafo es posible conocer las condiciones de temperatura, campos eléctricos y magnéticos, composición química y velocidad relativa de un objeto que se encuentra a millones de kilómetros.

Enlaces Relacionados.

Enlaces Externos.

Bibliografía.

  • Colectivo de Autores. Manual de Física nuclear, La Habana 1978.
  • Steven A. Tretter , Communicaction System design Using DSP Algorithms. With Laboratory Experiments for the TMS320C30 . Aplications of Communication Theory. Series Editor: R.W. Lucky, Bellcore. Plenum Press. NY. (1995)
  • José Ramón Bertomeu Sánchez, Instituto de Historia la Ciencia López Piñero, (Universitat de Valencia-CSIC)