IntroduccióLa llum com una ona és un concepte clau per entendre la física moderna i les seves implicacions en la comprensió de la natura. L’estudi de l’espectre de la llum aporta molta informació sobre les seves característiques, propietats i comportament. Per això és molt important entendre com es produeix. En aquesta experiència es pretén fer un primer apropament als espectres de 3 tipus de bombetes que emeten llum incandescent, LED i fluorescent, respectivament. El fet que l’emissió es produeix per fenòmens diferents ens permet reflexionar sobre l’estructura de la matèria que emet fotons.  
 |
| Fig. 1 |
Construcció
La proposta següent descriu la construcció de
dos dispositius molt diferenciats: un espectròmetre i una font emissora
de llum.
Espectròmetre
Per dur a terme la construcció de l’espectròmetre
s’han d'aconseguir els elements següents, que podeu trobar a la imatge
adjunta (vegeu la figura 1):
- Càmera web.
- Capsa. Pot servir una de sabates.
- CD.
- Fulles de cúter.
- Cartolina.
- Cinta adhesiva o cinta aïllant.
- Cinta de doble cara.
L’objectiu de l’experiència és fer una introducció
al món de l’espectroscòpia però sense perde mai de vista
que el cost dels materials ha de ser molt assequible.
Preparació de la xarxa de difracció
L’espectròmetre que es vol construir és de transmissió;
per tant, la llum ha de passar a través d’un dispositiu que separi les
diferents longituds d’ona. Aquesta funció la farà el CD, que s’haurà
de separar de la part metal•litzada. Això s’aconsegueix enganxant un
tros de cinta aïllant o, millor, cinta americana, la qual s'ha i d'estirar
amb força, com es pot veure a la figura 2. A continuació es retalla
un tros d’aquest CD net i s’enganxa a la càmera web amb cinta aïllant.
Preparació de la capsa
En una capsa de sabates fem dues petites escletxes. Una ens
servirà per fer-hi passar el cable USB de la càmewra web, de manera
que n’hi haurà prou que faci  ;
l’altre ha de permetre el pas de la llum i la farem de  .
La mida de cap de les dues escletxes és crítica. Es pot veure
com queda a la figura 3.
Preparació del col•limador
És necessari ajustar l’amplada de l’escletxa per obtenir
una bona visualització dels espectres. En un rectangle de cartolina fem
una escletxa d' . Hi
enganxem una fulla de cúter amb cinta aïllant i ajustem l’altra
de tal manera que la separació entre les dues escletxes sigui molt petita.
Es pot utilitzar el mateix gruix de la cartolina com a mida de separació
entre les dues fulles de cúter. A la figura 4 es pot veure una part del
procés.
 |
 |
| Fig. 2 |
Fig. 3 |
 |
 |
| Fig. 4 |
Fig. 5 |
Muntatge del conjunt
Caldrà fer algunes proves del muntatge final, però
la càmera ha d’estar a uns 450
del feix de llum que entra per l’escletxa i la distància dependrà
de la mida de l’espectre que vulguem veure. També convé pintar
de negre l’interior de la capsa, per millorar la visualització.
A la figura 5 podem veure els elements preparats per muntar-los. Finalment,
ha de quedar un muntatge semblant al següent (vegeu la figura 6).
A continuació (vegeu la figura 7) es mostra una imatge de tot el muntatge
i com es veu l’espectre que projecta una bombeta incandescent amb l’espectre
continu.
 |
 |
| Fig. 6 |
Fig. 7 |
Dispositiu d’emissió de llum
No és necessari dur a terme el muntatge de les bombetes
en un sol dispositiu, però ajuda molt alhora d’evitar problemes a classe
o desconnexions per trasllats. S'en pot fer una versió més simple
amb un cable, un portabombetes, un regulador d’intensitat i un interruptor i
anar canviant les diferents bombetes o implementar totes les bombetes en un
sol muntatge. A continuació (vegeu les figures 8a,
8b i 8c)
es poden veure imatges d’un sol muntatge amb les quatre fonts de llum.
Es pot veure aquest muntatge amb detall i com funciona YouTube: https://youtu.be/-iUTw3TABh8
.
Orientacions pel professorat
Temporització
-
Depenent del grau de profunditat i ampliació que
es vulgui aconseguir amb els alumnes es pot preparar una sessió que
pot anar des d’una hora, per a una demostració magistral amb preguntes
i respostes dels alumnes, fins a prou temps per poder desenvolupar tot el
tema de física moderna amb les experiències que permet dur
a terme el petit muntatge.
Alumnes als quals s’adreça l’experiència
- Inicialment va ser pensada per desenvolupar el temari de 2n de batxillerat,
però és adaptable als cursos de 1r de batxillerat i de 4t
d’ESO.
Metodologia
La proposta metodològica és de caire magistral,
amb l’objectiu principal de complementar les explicacions que s’han treballat
a classe.
1. L’objectiu principal és entendre
el canvi conceptual que es va produir a finals del segle XIX i que va significar
el naixement d'una nova comprensió dels fenòmens naturals.
La guia per fer aquest recorregut serà la llum i les diferents formes
de produir-la i analitzar-la.
La comprensió de la llum pot partir d’un model corpuscular de la llum,
la qual segons la física clàssica es propaga en línia
recta. Com a mostra es pot presentar qualsevol ombra.
Hi ha fenòmens amb la llum que són més difícils
d’explicar des del model corpuscular, com ara la difracció. Es pot
utilitzar un punter làser i una escletxa feta amb dues fulles de cúter
per il•lustrar-ho. També és interessant fer la demostració
de la descomposició de la llum quan passa a través d’un prisma.
Arribats a aquest punt, es pot canviar el prisma per una xarxa de difracció
o un tros de CD i explicar com es genera la descomposició de la llum
blanca.
2. Per endinsar-nos en el món de
la física moderna podem partir de la llei que Stefan Boltzmann va formular
el 1884 i que postula que la radiació d’energia que emet un cos calent
per unitat de temps és proporcional a la temperatura del cos elevat
a la quarta potència. Més endavant, Wilhelm Wien va trobar una
relació entre la temperatura i la longitud d’ona. Ha arribat el moment
d’analitzar l’espectre d’una bombeta incandescent.
- Cal explicar com es produeix la llum en la bombeta. La llum és
una conseqüència de la temperatura del filament de tungstè
que es posa incandescent per l'efecte Joule.
- Cal parar atenció també en què és un
espectre continu. S’està emetent en totes les longituds d’ona
de l’espectre visible, com la llum del Sol.
A continuació es pot introduir el concepte de cos
negre i la importància que va tenir a nivell conceptual per entendre
la relació entre energia, temperatura i longitud d’ona.
- Si al dispositiu que conté la bombeta incandescent s’hi afegeix
un regulador d’intensitat es pot fer la demostració següent
(vegeu les figures 9a
i 9b):
Es posa el regulador en la posició de màxima intensitat
de llum. La llum és completament blanca i l'espectre és
continu i conté totes les longituds d’ona de l’espectre visible.
S’observa que a mesura que va disminuint la intensitat que arriba a
la bombeta, comencen a desaparèixer longituds d’ona, començant
per les més energètiques. Sembla molt evident que l’energia,
la longitud d’ona i la temperatura estan relacionades.
 |
 |
| Fig. 9a |
Fig. 9b |
- A partir de la demostració anterior es pot obrir la porta
a l’explicació del que es va denominar catàstrofe
de l’ultraviolat, que essencialment es basa a pensar que si s’augmenta
indefinidament la temperatura d’un sistema l’emissió d’energia
en forma de llum es distribuirà en totes les longituds d’ona
possibles. Experimentalment es comprova que no és cert i que
les longituds d’ona més llargues i més curtes corresponen
a una distribució de la intensitat d’energia que tendeix a zero.
Això només és explicable perquè l’energia
està quantitzada i, per tant, ha de ser emesa com un múltiple
enter d’un paquet d’energia. Es pot relacionar amb la constant de Planck.
|
| Fig. 10 |
3. El 1900, Max Planck postula la seva famosa
llei de Planck que obre la porta definitivament a la quantització de
l’energia. La comprensió d’aquesta llei ens permet parlar de l’efecte
fotoelèctric postulat per Albert Einstein, que li va fer merèixer
el premi Nobel. Per il•lustrar les dues lleis es pot analitzar l’espectre
que genera la llum LED.
- La tecnologia LED no està lligada a la temperatura sinó
a l’emissió de fotons per del material. Es pot aprofitar per
contextualitzar-ho en l’efecte fotoelèctric.
- Un altre punt que es pot desenvolupar: fixar-se que en l’espectre
de la llum LED pràcticament no hi ha llum en la longitud d’ona
del blau, passa directament del verd al lila, tal com es pot observar
en la figura 10.
4. Si es disposa d’una bombeta LED que emet
llum de diferents colors es pot constatar que a partir de tres colors primaris
es poden construir tota la resta. S’il•lumina l’espectròmetre amb la
llum de diferents colors i s'en pot observar (vegeu les figures 11a,
b i c)
la descomposició en els tres colors bàsics.
 |
 |
 |
| Fig. 11a |
Fig. 11b |
Fig. 11c |
 |
| Fig. 12 |
5. Un punt clau de la física moderna
és la comprensió de l’estructura de l’àtom. L’àtom
de Rutherford del 1911 és una millora del model atòmic de Thomson,
però encara queda un llarg recorregut fins arribar als orbitals atòmics.
L’últim espectre que ens resta per veure és un dels espectres
més fascinants a l’abast de tothom: el de les bombetes fluorescents
(vegeu la figura 12).
- Constatem que és molt diferent dels altres espectres. No
s’emeten en totes les longituds d’ona, de fet s’emet llum en longituds
d’ona molt concretes. Es pot parlar a partir d’aquest fet de la
quantització de la llum o introduir altres conceptes de física
moderna.
- Si s’explica com es produeix la llum en un fluorescent, es pot
parlar de física atòmica i de l’estructura de l’àtom,
d’absorció i emissió de partícules, d’excitació
electrònica, d’orbitals, etc.
6. Per ampliar-ho, també es pot parlar
d’astronomia espectral, de com es determina la composició dels cossos
astronòmics a partir dels seus espectres d’emissió o d’absorció,
d’espectroscòpia, etc.
| 
6/8 
