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Taller y laboratoriopor Marc Boada Ferrer
84 INVESTIGACIN Y CIENCIA, mayo 2015
Materia luminosaEn poco ms de cinco dcadas despus de su
invencin, el lser se ha convertido en una herramienta indispensable
en casi todos los mbitos de nuestra sociedad, incluido el de la
divulgacin cientfica
En una noche de primavera, un grupo de personas permanece a la
intempe-rie; desafan las condiciones ambientales junto a un tubo
blanco montado sobre un sofisticado soporte mecnico. Alguien se-ala
al cielo y explica suculentos detalles sobre la dinmica de los
cuerpos celestes. Se ayuda para ello de un rayo verde que emerge de
sus manos como por arte de magia. Es un lser, un puntero que emite
un rayo de luz prcticamente lineal que se pierde, absorbido por la
atmsfera, en la lejana.
El puntero lser ofrece una maravillo-sa metfora del control que
tenemos hoy sobre la luz. Y son tantsimas las reas cien- tficas y
tcnicas que lo emplean, que la UNESCO ha declarado el 2015 Ao
Inter-nacional de la Luz y sus Aplicaciones.
La ciencia que ahonda en la genera-cin, el control y la deteccin
de la luz es la fotnica. Se centra en el estudio de las
pro-piedades y aplicaciones de un fragmento del espectro
electromagntico que ofrece una gran variedad de comportamientos: el
que incluye las radiaciones infrarroja, visible y ultravioleta.
Quizs es por esa diversidad de fen-menos que las mentes ms
despiertas de todos los tiempos han tratado de com-prender qu es
exactamente la luz. En esta colaboracin seguimos sus pasos con
siete experimentos de facilsima reproduccin.
Antes que nada, necesitamos encon-trar un puntero lser. Por
pocos euros po-demos conseguir una extraordinaria fuen-te de luz de
color verde, algo inexistente hace solo diez aos. Se convertir en
una herramienta fundamental para interrogar la naturaleza,
descubrir las sutilidades de la luz y atencin para demostrar todo
ello de forma visual ante nuestros alum-nos y audiencias. Manos a
la obra.
1 Luz para empujar. Apuntemos con nuestro rayo verde a las aspas
de un radi-metro (un instrumento que se utiliza para medir la
intensidad de la energa trmica radiante y que puede encontrarse en
las tiendas de los museos de ciencia). Para sorpresa de todos,
empezarn a girar.
S, la luz es informacin, pero tambin energa, algo que todos
tenemos claro por-que a menudo la percibimos asociada al calor.
Pero el radimetro nos ofrece una visin ms impactante de esa energa,
ya que convierte la radiacin en movimiento mecnico. Algo
interesante de esta de-mostracin es que podemos imaginar la luz
como un conjunto de misteriosas partculas invisibles que chocan
contra las aspas del molinete, transfiriendo su energa [vase El
molinete de luz, por Wolfgang Brger; Investigacin y Ciencia, junio
de 2001; Empuje lumnico, por Jean-Michel Courty y douard Kierlik;
Investigacin y Ciencia, marzo de 2010].
2 Luz que produce luz. Centrmonos ahora en otro experimento
esclarecedor y fcil. Sabemos que la luz es una excelente aliada a
la hora de analizar compuestos qumicos, ya que cada elemento emite
un espectro caracterstico cuando tiene la energa suficiente. Si
esparcimos sal co-mn sobre una llama poco luminosa, esta se tornar
de un vivo color amarillo. Sa-bremos as que en la sal de mesa se
escon-de un metal, el sodio. Y si quemamos com-puestos de diversos
elementos qumicos obtendremos espectros caractersticos.
Pero la propia luz puede forzar la apa-ricin de firmas lumnicas.
Armados con nuestro puntero lser, podemos detectar (cientficamente)
la calidad de un aceite de oliva sin abrir la botella. Al iluminar
el aceite de oliva virgen, y solo este, veremos cmo el intenso rayo
verde muta mgi-camente para tornarse rojo. Hemos esti-mulado la
aparicin de una radiacin se-cundaria, menos intensa que la
primaria. De alguna forma, la luz verde procedente del lser ha sido
absorbida por molculas que solo se hallan presentes en los aceites
obtenidos en fro.
De nuevo, resulta prctico imaginar la luz como paquetes de
energa capaces de ser absorbidos por una molcula especfi-ca, un
pigmento en este caso, la clorofila. Cuando esta absorbe energa,
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Marc Boada Ferrer es divulgador cientfico y experto en ciencia
experimental.
Bombillas de luz infrarroja, visible y ultravioleta
Radimetro
Cpsula con aceite de oliva
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Mayo 2015, InvestigacionyCiencia.es 85
trones de algunos de sus tomos pasan a un estado ms energtico;
cuando estos caen a un nivel ms estable, emiten un nuevo paquete de
energa (un fotn, o un cuanto) que percibimos en forma de luz roja.
Tambin el lser verde que tenemos en las manos funciona de forma
parecida! En su interior se esconde una fuente pri-maria, un diodo
lser de infrarrojos, que, al atravesar un cristal adecuado, produce
una emisin secundaria en el visible de color verde y, por supuesto,
calor. He aqu el motivo por el cual estos dispositivos son tan
baratos: los fabricantes se aprovechan de una argucia fotnica para
simplificar su produccin.
3 Luz absorbida. Podemos tambin experimentar con otro aspecto,
ms rui-doso, de la absorcin selectiva. Sabemos que un filtro de
color absorbe todas las radiaciones y deja pasar solo algunas, las
que vemos. Si situamos un filtro rojo ante una fuente de luz
blanca, vemos la lmpara perfectamente roja; ha absorbi-do todos los
otros colores. Por tanto, si colocamos este mismo filtro ante el
haz verde de nuestro lser, este no puede pasar. Aunque refleja
buena parte de la luz, el filtro deber pagar un precio ener-gtico
por absorber la energa e impedir su paso.
Mirmoslo con atencin. Si es de pls- tico delgado, podremos
observar una pe-quea quemadura: la energa se ha disipa-do en forma
de calor. Pero nuestra audien-cia se merece mejores demostraciones.
Pongamos un globo rojo bien inflado en el trayecto del rayo verde.
Fijemos el globo y el lser de forma que este apunte siempre
exactamente en el mismo punto. El globo explotar al instante, para
sorpresa del pblico y nuestro regocijo. Si el lser hace esto con un
globo, cun peligroso puede llegar a ser para los glbulos oculares
de los astros del balompi o de los propios experimentadores?
A estas alturas habremos descubierto que el lser se refleja y
refracta continua-mente, tomando direcciones imprevistas. Vayamos
por partes y recordemos las lec-ciones de la clase de ptica. All se
nos ex-plic que, cuando atraviesa una sustancia o un medio denso,
la luz viaja a menor velocidad que en el vaco. A la razn entre la
velocidad de la luz en el vaco y en el seno del material a examen
lo llamamos ndice de refraccin. Por otro lado, si la incidencia en
el medio es perpendicular a la interfase, la trayectoria no sufre
desvia-cin alguna y contina en lnea recta; eso s, a menor
velocidad. Pero si la incidencia se realiza en cierto ngulo, sufre
una des-viacin caracterstica.
Llevamos unos 2500 aos dedicados a la ptica, aprovechando estas
propieda-des y construyendo elementos capaces de desviar la luz de
forma controlada, con el objetivo de formar imgenes o concentrar la
radiacin. Las primitivas lentes talla-das en cristal de roca,
piedras preciosas o vidrio ms o menos transparente han sido
sustituidas por materiales pticos extraordinarios. Fabricamos
lentes a par-tir de monocristales de silicio, germanio, cloruro
sdico o fluorita, capaces de focali-zar desde el infrarrojo hasta
el ultravioleta. Fundimos fibras del grosor de un cabello y
kilmetros de longitud con un grado de transparencia tal que la luz
viaja en su interior con atenuaciones mnimas. Y los polmeros tambin
se han unido al selecto grupo de los materiales pticos, al que solo
acceden compuestos de pureza perfecta-mente controlada, fruto, a su
vez, del uso de la fotnica en las ciencias qumicas.
Por todo ello, es hoy muy fcil demos-trar, mediante otro
sencillo y fascinante experimento, el comportamiento refrac-tivo de
los medios y superficies.
4 Luz que se refracta. Busquemos una lente de metacrilato tanto
da que sea positiva o negativa. Si decidimos fa-bricarla nosotros,
podemos obtener una lente cilndrica a partir de una barra de
metacrilato, que seccionaremos por la mitad y luego puliremos.
Construyamos una fuente de luz extensa con una bom-billa mate y un
difusor. Pongamos ante este una cubeta llena hasta la mitad con
glicerina (una placa de cultivo a la que se ha recortado el cuello
resulta ptima). Sobre el difusor y con un rotulador ne-gro,
trazaremos un retculo. Si ante este ponemos la lente, la veremos
deformada; si ahora la sumergimos en la glicerina, de-saparecer,
convirtindose literalmente en invisible.
Abusando del lenguaje, podramos decir que a la luz no le importa
si algo es slido o lquido, lo nico que tiene en cuenta son los
cambios en el ndice de re-fraccin. Dado que glicerina y metacrilato
presentan un ndice de refraccin idn-tico, una vez sumergida la
lente, el con-junto se convierte pticamente en un solo cuerpo, con
todas las superficies perpen-diculares a la luz, y el retculo se
observa sin deformaciones. Hemos conseguido la invisibilidad de la
lente.
En esas observaciones, el modelo men-tal que usamos para
trabajar no necesita ni partculas ni ondas; solo rayos, unas
entidades que definen la direccin en la que se propaga un flujo de
energa o un estrecho haz de partculas. Por eso a una fuente de luz
lser la llamamos rayo lser.
Podemos fabricar fcilmente lentes de todo tipo en metacrilato o
espejos en aluminio macizo. Cualquier tornero podr mecanizarlas y
pulirlas. El resultado ser pattico desde el punto de vista del
ptico, pero, junto con el lser, ser perfecto para mostrar a todos
cmo lentes con diver-sos perfiles modifican el trayecto ptico y
tambin cmo estas lentes sumadas per-miten ampliar imgenes, tal y
como hacen microscopios y telescopios.
La luz no solo se refracta; tambin se refleja. Tras el vidrio
del espejo del bao hay una capa de aluminio pursimo. Un metal
barato que refleja con igual intensi-dad todos los colores del
espectro visible, de ah su aspecto plateado. Una capa
Reflexin del verde en un filtro rojo
Lente semisumergida en glicerina
BombillaDifusor
Glicerina
Observador
Lente semisumergida
Cubeta transparente
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Taller y laboratorio
de unos pocos centenares de tomos es ya totalmente opaca y, por
tanto, refleja toda la luz posible (sin embargo, la reflexin no es
perfecta; una parte de la radiacin incidente se absorbe y, por
tanto, el reflec-tor se calienta). Para el experimentador, una de
las muchas diferencias prcticas entre refraccin y reflexin es que
esta ltima es idntica para todos los colores; es decir, en un
espejo todos los rayos, sean de la frecuencia que sean, van a parar
al mismo foco.
Esa ausencia de aberracin cromtica se aprovecha para construir
con espe- jos cocinas solares y objetivos para gran-des
telescopios; tambin para microsco-pios, aparatos donde las
condiciones de calidad ptica s son extremas. Por suer-te, nuestro
pequeo lser es una fuente prcticamente monocromtica en la que todos
los paquetes de energa o todas las ondas tienen exactamente las
mismas ca-ractersticas. Ello nos permite acceder a los lmites de la
ptica de forma sencilla y sin lentes carsimas. Dnde estn esos
lmites? Pues en el mundo de la fsica ondulatoria. Expliqumonos. Tal
y como hicieron grandes pensadores, ha llegado el momento en que
debemos abandonar, al menos temporalmente, nuestra con-cepcin
corpuscular de la luz. Sale ms a cuenta abrazar una visin
ondulatoria porque, en caso contrario, lo que obser-varemos ser
inexplicable. Visualicemos algunos fenmenos.
5 Luz que se dispersa. Antes no lo he-mos dicho, pero la
refraccin en un medio transparente tambin depende de la lon-gitud
de onda de la luz y de las propieda-des intrnsecas del medio es por
ello por lo que Newton pudo descomponer la luz blanca con un prisma
de vidrio al plomo mejor que con cualquier otra cosa de la poca.
Hoy los vidrios densos han sido superados por los materiales
fotnicos o no lineales que imitan y mejoran el com-portamiento y
fulgor de ciertos minerales, como los palos.
Buscando un poco o mucho en tiendas de minerales y esoterismo
quizs encontremos alguna pequea figurilla realizada en palo
artificial de las que se utilizan para abrir los chacras. Noso-tros
le podemos dedicar una buena sesin de pulido ptico para convertirla
en un prisma de propiedades fascinantes [vase La mquina de Draper,
por Marc Boa-da Ferrer; Investigacin y Ciencia, junio de 2008].
En la masa vtrea de un material fo-tnico hay redes simtricas de
defectos [vase palos y cristales fotnicos, por Francisco J.
Meseguer y otros; Investiga-cin y Ciencia, febrero de 1999].
Imagine-mos estructuras diminutas que se repiten una y otra vez o
agrupaciones de tamao equiparable a las ondas luminosas; su
in-teraccin con la luz hace que la respuesta sea sensible a la
longitud de onda.
Un vidrio fotnico presenta un com-portamiento similar al de la
atmsfera du-rante una puesta de sol. Los rayos azules procedentes
del astro rey son fuertemente dispersados, de ah el color azul del
cielo. Los rayos rojos, en cambio, no son disper-sados y pueden
alcanzar al observador; por ello nuestra estrella se torna rojiza.
Los cristales fotnicos pueden ser de co-lor azul cuando se observan
por reflexin y rojos cuando se observan por transmi-sin. Jugando un
poco, comprobamos que tambin la reflexin total interna solo es
posible para el rojo; vendra a ser la suma de un prisma y un filtro
selectivo.
Aqu, la visin ondulatoria resulta adecuada para explicar el
fenmeno, pero es ms til todava para comprender lo que sigue.
Todo observador astronmico sabe que, al aumentar mucho la imagen
de un astro, este deja de ser puntual para con-vertirse en una
bonita y estrellada figu-ra de difraccin. El motivo es simple: el
frente de luz proveniente de una luz muy lejana es una onda plana.
Al atravesar la atmsfera y luego el sistema ptico, in-corpora
retrasos diferenciales que, al su-perponerse en el foco,
interfieren entre s. Lo mismo sufre el microscopista, por muy bueno
que sea el microscopio; llegado a determinado aumento, los
microorganis-mos aparecen rodeados por anillos lumi-nosos que se
alternan con otros oscuros creando ruido e inutilizando la imagen.
Precisamente una ptica de calidad es aquella que es capaz de
minimizarlos.
Nuestro lser proporciona un frente de onda prcticamente plano,
continuo y, adems, colimado: un haz de luz que
permite construir un microscopio donde la interferencia aparece
con enorme facili-dad, mostrndonos imgenes muy intere-santes,
similares a las que ofrecen los ins-trumentos pticos ms potentes
cuando trabajan a su mximo rendimiento.
6 Luz para observar el microcosmos. Fijemos el lser a un soporte
de madera y, con una escuadra y algn ingenio, colo-quemos ante l y
en posicin vertical una jeringuilla llena de agua, de la que
cuel-gue una sola gota. Ajustemos el lser para que incida sobre la
gota y proyectemos la mancha de luz sobre una pantalla situada a
algunos decmetros de distancia.
Enfoquemos acercando el lser a la gota y aparecer ante nosotros
un bello espectculo. En la proyeccin de la gota bailan sin descanso
objetos diminutos ro-deados por intensas auras verdes; si hay
pocos, podemos usar agua impura o so-plar un poco.
Trabajemos en un soporte estable y libre de toda vibracin.
Comprobaremos que el baile de las partculas no cesa; lo que ocurre
es que el agua se evapora por-que parte de la energa del haz lser
es absorbida, calentndolo todo y formando corrientes de
conveccin.
Parte de la fotnica trabaja precisamen-te en esos dominios,
intentando eliminar esas auras verdes, es decir, el ruido
inhe-rente al trabajo con ondas que interfieren continuamente entre
s. Pero a veces son los propios fenmenos de interferencia los que
nos permiten investigar la materia a escala submicroscpica. La
interferome-tra es una herramienta extraordinaria que se aplica
tambin en los ms dispares mbitos de conocimiento; para nuestra
fortuna, observar elegantes franjas de in-terferencia puede ser muy
sencillo.
7 Luz que interfiere. Solo necesita-remos un pequeo vidrio de
reloj (sirven una esfera hueca de vidrio o la pared del propio
radimetro). Montemos el lser de forma estable y proyectemos el rayo
verde
Prisma de palo artificial
Impurezas en una gota de agua
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Mayo 2015, InvestigacionyCiencia.es 87
Taller y laboratorio
contra l, vidrio o esfera. Observemos que, en su mayor parte,
atraviesa el material; este haz principal no nos interesa. Si
gi-ramos la pieza de vidrio hasta formar un ngulo de unos 20o o
30o, observaremos un haz secundario, ms dbil: el haz refle-jado.
Ahora, a uno o dos metros, situemos una cartulina blanca que lo
intercepte.
La imagen que observaremos ser muy curiosa: un patrn regular de
franjas brillantes y oscuras. Su origen radica en que el haz lser
se ha convertido en dos al impactar contra las dos superficies del
vidrio, pero solo uno ha sufrido el retraso impuesto por el trnsito
por su interior; el otro se ha reflejado en la cara externa y, por
tanto, le ha adelantado un poco. Los dos trenes de ondas
ligeramente desfasa-das se superponen, interfiriendo y gene-rando
un patrn de luz y oscuridad.
El fenmeno es ultrasensible a todo: un ligero incremento en el
espesor del medio, algn defecto en la composicin, incluso minsculos
cambios superficiales se hacen perceptibles en el patrn de franjas;
por supuesto, tambin es adecuado para de-tectar las diferencias de
recorrido ptico.
Con instrumentos delicadsimos se ha conseguido topografiar la
superficie de elementos pticos a escala casi atmica. Alguien puede
superar esto? Y es que solo la luz, ese misterioso fenmeno ora
corpuscular ora ondulatorio, es nuestra aliada desde la dimensin
csmica a la nanomtrica, pasando por la tecnolgica y la
divulgativa.
Patrn de interferencias de un cristal delgado
Haz principal
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Lser
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