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Experimentos > Iridiscencias caseras

Categorías: Óptica
Palabras clave: Color, Interferencias, Luz, Ondas


Autor/es

Rafael Garc�a Molina
Hugo P�rez Garc�a

Qué se pretende demostrar

La luz blanca está formada por la superposición de todos los colores del espectro luminoso, cada uno de ellos asociado a una longitud de onda diferente. Es fácil observar los colores que forman la luz cuando ésta se descompone (por refracción) tras incidir sobre un prisma. Pero también hay otros procedimientos para descubrir los colores que se ocultan en un haz de luz blanca, tal como veremos en la experiencia que se describe a continuación, la cual se basa en el fenómeno de la interferencia.

Al superponerse dos haces de luz procedentes de la misma fuente y que tienen la misma longitud de onda l, se produce el fenómeno de la interferencia, que es característico de las ondas. El rayo resultante de las superposición de los dos haces tendrá una amplitud que puede ser el doble de la de cada onda por separado (si coinciden los máximos de cada onda) o que puede ser nula (si coincide el mínimo de una onda con el máximo de la otra). En el primer caso, la interferencia es constructiva y la intensidad de la onda resultante es máxima, mientras que en el segundo caso la interferencia es destructiva y la intensidad de la onda resultante es nula.

En esta experiencia se propone un sencillo experimento con el que, gracias al fenómeno de la interferencia, se pone de manifiesto la naturaleza ondulatoria de la luz. Consiste en obtener fácilmente una superficie iridiscente que muestre los colores que forman la luz blanca.



Dirigido a

Gran Público



Materiales necesarios

  • Un bote de esmalte de uñas transparente.
  • Cartulina negra, de tamaño DIN A5 (aproximado).
  • Una cubeta o barreño.
  • Agua.
  • Cuentagotas (opcional).
  • Pinzas (opcional).


Descripción

Este experimento se puede desarrollar en cualquier hogar sin necesidad de materiales difíciles de conseguir o poner todo patas arriba. Habrá que llenar una cubeta con agua hasta una profundidad de unos 5 cm. A continuación, se sumerge la cartulina negra hasta el fondo de la cubeta. En el siguiente paso se deja caer una gota de esmalte de uñas transparente sobre la superficie del agua, empleando el pincel del bote (u, opcionalmente, un cuentagotas), tal como se muestra en la figura 1.

El esmalte de uñas es una mezcla de una sustancia resinosa con un disolvente, el cual se evapora rápidamente para dejar una fina película de la sustancia resinosa. La gota que cae sobre el agua flota y se expande hasta abarcar un área bastante grande; si se presta atención a la delgada película de esmalte que se forma, veremos que aparecen colores en algunas zonas. Por último, se deberá recoger con cuidado la película de esmalte mediante la cartulina negra que habíamos depositado en el fondo de la cubeta; esta operación puede realizarse directamente con los dedos u, opcionalmente, con unas pinzas. Ahora sólo queda esperar a que seque la cartulina para tener nuestra propia iridiscencia casera.

¿Pero de dónde salen esos colores si el esmalte era transparente? Para facilitar la discusión consideraremos únicamente la superposición de dos rayos de la misma longitud de onda l.

La interferencia entre dos rayos de luz coherente y de la misma longitud de onda será constructiva si la diferencia de fase entre ambos rayos es cero o un múltiplo par de p (así coinciden los máximos de cada onda), mientras que la interferencia será destructiva si la diferencia de fase es un múltiplo impar de p (así coinciden los máximos de una onda con los mínimos de la otra):

interferencia constructiva: diferencia de fase = 2mp, [m=0,1,2,…]

interferencia destructiva: diferencia de fase = (2m+1)p, [m=0,1,2,…]

Cuando un rayo de luz I incide (casi perpendicularmente) sobre una lámina transparente, de índice de refracción n y espesor d (Fig. 2.), llegan a nuestros ojos los rayos A y B, que se han reflejado en las superficies delantera y posterior de dicha lámina. La diferencia de fase entre estos dos rayos se debe a dos causas:

(i) el rayo Ase refleja en un medio de mayor índice de refracción que el de procedencia (n>n1), por lo que su fase cambia en prespecto del rayo incidente I.

(ii) el rayo B se propaga a través de la lámina y se refleja en su parte posterior, donde su fase varía en p, puesto que n2>n; por otra parte, el rayo B recorre una distancia 2d por el interior de la lámina, lo cual da lugar a una diferencia de fase 2p(2d/l’), donde l’=l/n es la longitud de onda en el interior de la lámina.

Como ambos rayos reflejados experimentan un cambio de fase de p, la diferencia de fase entre los rayos A y B se debe únicamente la diferencia en el recorrido de ambos rayos, que vale 2p(2dn/l).

Si igualamos la diferencia de fase 2p(2dn/l) a las condiciones para que haya interferencia constructiva o destructiva, se obtiene [1]

2p(2dn/l)=2mp          ®   2dn=ml         [m=0,1,2,…]     (constructiva)

2p(2dn/l)=(2m+1)p/2®   2dn=(m+½)l   [m=0,1,2,…]     (destructiva)

Así pues, si el espesor de la lámina y la longitud de onda de la luz están relacionados mediante las expresiones anteriores, se producirán interferencias constructivas o destructivas, que serán perceptibles para el observador como regiones con iluminación máxima o nula. Otros valores de la relación entre d y l  dan lugar a intensidades luminosas intermedias.

Como el espesor de la lámina que produce interferencias destructivas para un color depende de su longitud de onda, puede suceder que otro color no produzca el mismo patrón de interferencias constructivas o destructivas.

La película de esmalte que se forma sobre la superficie de agua y se recoge con la cartulina negra desempeña el papel de la lámina delgada en la que se producen interferencias tal como se ha descrito previamente. Como al caer la gota sobre el agua ésta se expande muy rápidamente, el espesor del esmalte no es homogéneo, lo que ocasiona que aparezcan regiones en las que se producen interferencias constructivas para unos colores y destructivas para otros.

Tras esta discusión ya estamos en condiciones de comprender por qué aparecen colores cuando iluminamos con luz blanca la película de esmalte recogida sobre la cartulina negra. Por ejemplo, prestemos atención a una zona en la que se produce interferencia destructiva para el color rojo (si se iluminara sólo con esa longitud de onda, esa zona se vería negra). Cuando en esa región incide luz blanca se reflejan todos los colores menos el color rojo, por lo que la luz resultante se verá de un color azulado. En otras zonas se producirá interferencias constructivas y se verá un color rojizo.

A estas franjas de colores que aparecen en películas delgadas se les denomina iridiscencias. La figura 3 muestra el resultado de las iridiscencias que se han obtenido mediante el procedimiento descrito previamente.

En definitiva, el motivo por el que aparecen franjas coloreadas es porque se producen interferencias entre la luz reflejada por las superficies superior e inferior del esmalte, cuyo espesor no es homogéneo.

[1]Si se cumple que n2<n (lo cual sucede en el caso de una película jabonosa entre aire), no se produce un cambio de fase de p por la reflexión en la parte posterior de la lámina. Cuando tan solo cambia la fase en una de las reflexiones, las condiciones para que haya interferencia son

2dn=ml              [m=0,1,2,...]        (destructiva)

2dn=(m+1/2)l      [m=0,1,2,...]        (constructiva)



Existe alg�n riesgo

Ninguno más allá de que alguien se moje accidentalmente o algún niño se meta el esmalte en la boca.



Imágenes

 


Enlaces

Referencias bibliográficas:

  • F. W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young y R. A. Freedman, Física universitaria, 11ª ed. (Pearson Educación, México, 2004), Secc. 35.4 Interferencia en películas finas.
  • - P. A. Tipler y G. Mosca, Física para la ciencia y la tecnología, 6ª ed. (Reverté, Barcelona, 2010), Secc. 33.2 Interferencia en películas delgadas.

Enlaces:

http://bohr.inf.um.es/miembros/rgm/ff/2010-IridiscenciasCaseras.pdf



Observaciones

Es recomendable que cuando se quiera depositar la gota de esmalte sobre la superficie del agua, se deje caer libremente, aunque sea necesario agitar ligeramente el pincel con el que se aplica el esmalte en las uñas, pues si se sumergen las hebras, la gota no se expande lo suficiente como para que se vea la iridiscencia (opcionalmente, se recomienda el uso de un cuentagotas para evitar este problema). Por otro lado, se ha observado que algunas cartulinas pierden un poco de tinta al sumergirlas y colorean el agua. Este hecho no afecta al desarrollo de la experiencia.

A continuación se mencionan algunas otras escenarios en los que también se puede observar el fenómeno de la iridiscencia: aceites de motor sobre el agua durante días lluviosos, gasolina vertida por los barcos en el mar, pompas de jabón (y demás superficies jabonosas), algunas conchas marinas, escamas de algunos peces, plumas de ciertas aves (pavos reales, colibríes…) e, incluso, en las nubes (aunque en ese caso, se considera un fenómeno meteorológico conocido como irisación). Pero desde luego, si lo que se pretende es aprovechar la iridiscencia de forma decorativa (separador de páginas, papel de regalo, forro de libros…), no hay nada como hacer la experiencia de las iridiscencias caseras.