Tecnicas De Fisica Experimental Tomo 2

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TI!CNICAS Dll PI SI CA IIXPIERI M liNTAL

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MANUMIS DE EUDEBA 1 FISICA

Técnicas de física experimental

JOHN STRONG en colaboración con

H. VICTOR NEHER, ALBERT E. WHITFORD, C. HAWLEY CART\VRIGHT y ROGER HAYWARD Ilustrado por

RooER

HAYWARD

Tomo 11

EUDEBA EDITORIAL UNIVERSITARIA DE BUENOS AIRES

Título de la obra original: Procedures in Experimental Physics

Englewood Cliffs, Nueva Jersey, Prentíce Hall, Inc., 1938 Traducida de la decimonovena reimpresi6n, 1956, por RAQUEL

T.

DE GoLDSCHVARTZ

y

J. M. GoLDSCHVARTZ

La revisi6n técnica estuvo a cargo del doctor MorsÉs SAMETBAND, profesor de la Universidad de Buenos Aires

© 1965 EDITORIAL UNIVERSITARIA DE BUENOS AIRES - Viamonte 640 Fundada por la Universidad de Buenos Aires

Hecho el depósito de ley IMPRESO EN LA ARGENTIIU -

PRINTED IN ARGENTINA

INDICE DEL TOMO 11

TERMOEL~CTRICAS EN V ACtO Y MEDICióN DE LA ENERGíA RADIANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VIII. PILAS

285

Construcción y evacuación de una pila termoeléctrica, 289. Alambres para las uniones térmicas, 290. Construcción de uniones, 292. Otros métodos para construir pilas termoeléctricas, 297. Empleo de pilas termoeléctricas sensibles, 300. Pilas termoeléctricas compensadas, 301. Aparatos auxiliares, 302. Relevadores, 303. Construcción de termouniones por evaporación y por proyección catódica, 305. Consideraciones sobre el diseño de una pila termoeléctrica, 309. Sensibilidad y energía mínima detectables, 312. Resumen sobre diseños de pilas termoeléctricas, 313. IX. óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

316

Divisiones del espectro, 316. Fuentes luminosas, 316. Filtros para el ultravioleta, 335. Polarización del ultravioleta, 337. El infrarrojo, 338. Prismas, ventanas, lentes y espejos para el infrarrojo, 339. Reflexión de cristales. Rayos residuales, 340. Absorbentes especiales para el infrarrojo cercano, 343. Espectro visible, 345. El filtro de Christiansen, 345. Reflexión en metales, 348. Monocromadores, 349. Polarización, 355. Aplicaciones de la luz polarizada en ingeniería, 358. Láminas de un cuarto de onda, media onda y onda completa, 359. Clivaje de la mica, 361. Calibres de mica, 361. Aumento de las lentes, 362. Otras propiedades de las lentes, 363. Propiedades de los espejos, 364. Propiedades de los prismas, 364.

X. ct.:LULAS FOTOEUCTRICAS Y AMPLIFICADORES

3fYT

Introducción, 367. Comparación de límites de detección, 367. Tipo de células. 370. Características de las células del tipo de emisión, 370. Fabricación de células, 376. Células de vacío y células con gas, 376. Células fotovoltaicas, 378. Ampliación de corrientes fotoeléctricas, 380. Amplificadores de corriente continua, 381. Detalles experimentales, 392. Otras válvulas de corriente de grilla pequeña, 394. Amplificadores de corriente continua y ganancia alta, 396. Amplificadores de corriente alterna, 397. Ruidos por fluctuaciones. en circuitos con válvulas electrónicas, 401. Aplicaciones de las células fotoeléctricas, 404. Observaciones generales sobre fotometría fotoeléctrica, 404. Espectrofotometría, 405. Densitómetros, 407. AmpliVII

TÉCNICAS DE F"ÍSICA EXPERIMENTAL

ficación de desviaciones pequeñas en un galvanómetro, 409. Thyratron, 410.

XI. LA FOTOGRAFlA EN EL LABORATORIO

414

Comparación de la sensibilidad del ojo con la de la emulsión, 414. Curvas de Hurter y Driffield, 416. Ley de reciprocidad, 419. Poder resolvente, 421. Fuentes luminosas, 421. Filtros, 423. Enfoque, 424. Sensibilización, 426. Corrimiento de la gelatina, 428. Exposición, 429. Revelado, 432. Revelado con tiempo y temperatura, 434. Revelado en cubeta, 436. Desensibilización, 438. Fijado, 438. Lavado y secado, 439. Papel para imprimir y ampliar, 442. Intensificadores y reductores, 446. Algunas aplicaciones de la fotografía, 447. Fotometría fotográfica, 449.

XII. CALOR Y ALTA TEMPERATURA .. . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . .

453

Conducción del calor. Estado estacionario, 453. Transmisión del calor por convección libre, 464. Transmisión del calor por radiación, 465. Métodos para obtener altas temperaturas, 469. Temperaturas fijas, 481. Dispositivos termostáticos, 482. Medición de temperaturas, 486. XIII. NOTAS ACERCA DE MATERIALES DE INVESTIGACióN . . . . Metales alcalinos, 497. Metales de la tarios: tun¡• .>teno, 502. Madera, 505.

489

489. Metales alcalinoférreos, 496. Mercurio, familia del platino, 498. Los metales refracmolibdeno, tantalio, etc., 500. Aleaciones, Ceras y cementos, 509. Lubricación, 517.

XIV. NOTAS SOBRE CONSTRUCCióN Y DISE:fl'O DE INSTRUMENTOS Y APARA TOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

!522

Corte de metales, 522. El torno, 524. Soldadura blanda, 529. Soldadura dura, 530. Soldadura por puntos, 532. XV. MOLDEO Y FUNDICióN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

543 ·

El método de la cera perdida, 543. Modelos para el moldeo en arena, 549. Moldeo en sustancias calizas, 570. INDICE ALFABI!:TICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . • •

VIII

571

PILAS TERMOELÉCTRICAS EN YACIO Y MEDICióN DE LA ENERGiA RADIANTE Por C.

HAWLEY CARTWRIGHT y JoHN STRONG

Un instrumento radiométrico consiste en un receptor ennegrecido, calrntado por la f'Iwrg-ía radinci& externa en el eircuito del galvanómetro y, por eso, disminuyen algo las desviaciones. En la mayoría dt> los casos la reducción de los corrimientos de primero y segundo orden justifica la compensación y las desviaciones más pequeñas. Por otro método, la imagen de la ranura de ¡.,alida del espectrómetro cubre ambos receptores, mientras quf' un obturador, frentf' a la ranura df' t:'nb'ada. oscurece primero la abertura de la mitad de la ranura f'nforada sobre un receptor y, luego, la mitad enfocada sobre el otro rf'ceptor 14 . En const>cut>ncia, t>l área de cada receptor t>s igual a la mitad del ána di' L'l. ranura. Teórieanwnte, este modelo debe dar una sensibilidad 40 7c mayor que la de la pila tt>rmot>léctrica compensada común, ea la cual el área del receptor activo y el área del receptor compen,;ador son iguales al área de la ranura. Si se quiere lograr il~: otra manera esta ganancia dPl 40 %, debe inclinarse periódicamente t>l espejo utilizado para concentrar la energía radiante, de modo que la imagen de la ranura de salida del PS• pectrómetro cubra primero un receptor y luego el otro.

Aparatos auxiliares. Generalmente, con una pila termoeléctrica se usa un galvanómetro con un período de unos 7 segundos y una resistenria baja de unos 10 a 15 ohmios. Para mediciones delicadas los conductores que van de la pila termoeléctrica al galvanómetro deben estar blihdados, a fin de no inducir en ellos corrientes alternas, que pueden originarse en campos electromagnéticos parásitos. Cuando los conductores no están bien blindados, las corrientes alternas indu~idas son, en cierto sentido, rectificadas por la pila termoeléctrica, sobre todo por una no compensada, y originan una desviación aparente en el galvanómetro. Un método simple para medir la respuesta del galvanómetro es observar ·con un telescopio una eseala bien iluminada. · El galvanómetro debe ubicarse de modo qlle la escala esté a una distaneia de unos 5 m. Se emplea un tclPscopio de unos 32 aumentos, '3ituado lo más cerca po11ible del galvanómetro. Con un espejo de 10 mm dP diámetro en el galvanómetro han de poden,e leer con tanta rlaridad las divisiones mílimétricas de una escala, a 5 m de distanria, como para que puedan estimarse las desviaciones sobre la escala con una precisión de una pequeña fracción de milímetro. A menudo se atribuye erróneamente la falta de definirión al espejo del galvanómetro, pero, en general, obedece al uso de vidrio óptico impPrfecto para la ventana del galvanómetro. Sin embargo, la definición tiene un límite, fijado por el tamaño finito del espejo del galvanómetro, debido a la difracción. Lo más simple e.s consia BAilGEil, R.. M., ]. O. S A., 15, 370 (1927).

302

PILAS

Tl!ftMOI!L~CTRICAS

EN VACtO Y MJ:DIC. DE LA J:NUGtA llADIANTE

derar que la distancia de la el'-.;lllll)o, ''"

f'léctricamente activos, produeidas por evaporación y por proyección catódica, pueden lll'gar a tener capal'idan calórica muy baja, tan baja, en realidad, qu(' responda al calPutamirnto adiabático pwoduci.do por ondas sonoras separadas dr una frrcu('ncia dr 5.000 ci~los 23 . 23 HARR.ls,

106

L., v loHNSOr., E. A., Rev. Sci. /nstr., 5, 133 (1934).

PILAS TERMOEL&CTRICAS EN VACíO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTE

Una de las películas metálieas utilizadas es de bismuto y, la otra, de antimonio. La base sobre la cual se depositan las pelíeulas metálicas debe ser extremadamente delgada y resistente. Se emplean para este fin películas de vidrio, mica o laca. Cuando SE' funde t>l extremo de un tubo de vidrio blando y ~e sopla fuerte para dilatarlo y hacer explotar un bulbo delgado, los trozos de pared de éste dan tiras de vidrio de 1 ó 2 mm de ancho y 1 ó 2 cm de largo. Estas tiras tienen un espt>sor que pt>rmitt> producir colores de interferencia y sirven como base para las tt>rmocuplas formadas por evaporación. Cuando se enrolla una hoja de mica sobrE' una varilla de unos ~ mm de diámetro, de modo que una dt> sus direcciont>s príncípale~; ,pa paralt>la a la varilla, qut>da sometida a fut>rzas cortantt>s. Estas fuerzas rPlículal> quE' sin·an como basE' de pilas termoeléctricas, y para otras cosas, se vierte una solución de ll:'ca en una palan~ana con agua dt>stilada libre de polvo !!:l. La tensión supt>rficial hacr que el chorro &e disemine y se forme una película líquida sobre la mitad, casi. ,del árt>a de la superficiE' del agua. La lara se solidifica a medida que el solvente se evapora. La fig. 20 muestra cómo se saean del agua las películas y cómo se montan sobre una armazón metálica.' Una vez despegadas de los bordes dPl rrcipiente &e las deja secar. El espesor de la película se controla variando la su~

24 Esta es la técruca de~cripta por Bt•RGER, H C., v VAN CITTERI, P. H . Zell< f Physik, 66, 210 (193ú) 25 HARRIS, L., y JoHN90N', E. A., Rro. Sci Imtr., 4, 4'>4 (1933) E1tm investigadores usan acetato de metilo y de etilo por 2 parte1 de acetato de celulosa y 1 parte de laca Glyptal a ooc para obtener las películas m,b resistentes. CzERNY, M., y MoLLET, P .• Zeits. f. Physik, 108, 85 (1937).

307

PILAS TERMOEL1:C'l'RICAS EN VAClO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTE

dilución de la laca antes de verterla sobre el agua; se forman así películas uniformes extremadamente delgadas sobre agua a 0° e y se obtienen láminas de 5 X 10-6 cm de espesor. Las láminas dobles formadao;; s-obre armazón, como se indica en la fig. 20, son más resistentes que las simples de espesor doble, porque, en el caso de las películas dobles, las partes débiles de una película rara vez &e superponen a las partes débiles de la otra. Cuando se deposita por evaporación el metal termoeléctrico sobre la película base, tanto el calor de condensación del vapor del metal, como el calor irradiado por el filamento y absorbido por la pelíeula, tienden a elevar la temperatura de la base. Hay que impedir que la temperatura de la película aumente hasta un punto destructivo. Las películas se montan en la cámara de evaporación, en contacto con mercurio o, mejor aún, en contacto con un bloque enfriador de cobre. Sig-uindo el procedimiento descripto por Burger y van CittPrt 26 , para hacer uniones ,térmicas se emplean bismuto y antimonio; el bismuto se evapora de modo que forme una tira de lp. de espesor, miPntras que el antimonio se evapora y forma una tira de la mitad de dicho espesor. El peso del metal a evaporar se determina por un simple cálculo, usando la ecuación 2 del capítulo IV. El área reve&tida con metal se define con una plantilla. La tira de bismuto que se evapora primero cubre y sobrepasa un poco el punto de lo quP será el centro de la unión, digamos (),2 mm más o menos; luego se deposita una tira de antimonio evaporado, hasta sobrepasar el centro en una distancia igual. Las superficies superpu~tas constituyen Ja unión que, entonces, se recubre por evaporación con polvo negro de bismuto, de antimonio, o de cinc, sobre un área determinada, definida mediante diafragmas. Cuando se desea formar un área con la cual establecer contacto eléctrico hay que evaporar o proyectar oro en puntos adecuados de las películas metálica&. Luego se sueldan al oro los alambres de conexión. Los cristales de bismuto, formados en la tira por condensación de los vapores, tienen sus ejes perpendiculares a la base. Esta orientación del cristal da como resultado una fuerza electromotriz térmica opuPsta al antimonio, de 75 microvoltios;oc. La orientación óptima del cristal, obtenible hasta ahora por evaporación, da una fuerza electromotriz térmica dPl doble de este valor. Las uniones térmicas evaporadas son especialmPnte útiles para construir el relevador térmico tipo Moll y Burger. Burger y van Cittert lograron una sensibilidad dos veces y media mayor que la obtenida con el elemento laminado de Moll y Burger. 26 BURGER,

sos

H.

C.,

y

VAN CnTERT, P.

H., Zeits. f. Physik, 66, 210 (1930).

PILAS TERMOEU:CTRICAS EN VACto Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTE

Consideraciones sobre el diseño de una pil& termoeléctrica.. La pila tPrmo2T]-t

+ VW2) + / l '

(3)

f. Physik, 92, 1511 (19114).

S09

PILAS TERMOELÉCTRICAS EN VACtO Y MEDIC DE LA ENERGíA RADIANTE

donde I es la intensidad de la corriente termoeJé¡•trica en el circuito de la pila-galvanómetro; R, la re!>istencia eléctrica total constituida por la resistencia de la pila termorléctrica; Rt, la resistencia del galvanómrtro R~'; ~- cualqmer resistPneia ~xter11a, R.. . P es la potencia termoeléctrica conjunta de los alambres termoeléctricos ex-

o ~N 1

CRistencia diez veces menor que la del bismuto, la aleación de bismuto y 5% de estaño tiPne una resistividad dos veces mayor que el bismuto puro. Es preciso tenerlo en cuenta cuando se buscan mejores metales termoeléctricos. El bismuto es un metal excepcionalmente bueno para construir pilas termoeléctricas, no sólo porque posee una potencia termoeléctrica bastante grande, sino también porque es un elemento metálico puro con una resistividad pequeña, que no se aparta mucho de la ley de Wiedemann-Franz. Si se desea mejorar la sensibilidad de las pilas termoeléctricas, existe la posibilidad de emplearla& a bajas temperaturas, en que puede aumentarse Q en virtud de una mayor potencia termoeléctrica, una relación más favorable de Wiedemann-Franz y una menor pérdida por radiación por parte de los receptores. Sin embargo, las pilas termoeléctricas en aire líquido ofrecen algunas desventajas en la práctica 82 •

&1 BJUDGKAN,

U

P. W., Am. Acad., Proc., 63, 347 (1927-1928).

CAaTwullrr, C. H., Reu. Sea. lnstf'., 4, 382 (193!1).

515

CAPíTULO IX

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

DiviJiones del espectro. El espectro electromagnético se divide naturalmente en: la región seru;ible al ojo, la región infrarroja, con frecuencias menores que aquellas que percibimos como rojas, y la región ultravioleta, con frecuencias mayores que las que percibimos como violeta. Estas regiont>s se definen, en forma aproximada, por las longitudes de onda dadas t>n el cuadro l. Emplearemos los micrones para expresar la longitud de onda en la región de los rayos infrarrojos y los angstroms para exprPsar la longitud de onda en el visible y en el ultravioleta. La región visible incluye menos de una octava de frecuencia, mientras que la llamada región infrarroja comprende, por lo menos, nueve octavas y la ultravioleta, cinco o seis octavas.

Puentea luminoaaa. El Sol. El Sol ocupa el primer lugar entre las fuentes de luz. Su uso se recomienda en muchos experimentos, por su brillo y porque las líneas de Fraunhofer constituyen líneas

divisorias convenientes de longitudes de onda. En la fig. 1 se ven las líneas de Fraunhofer visibles en el espectro de un buen espectroscopio de bolsillo. 516

OPTICA: FUENT!:S LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS

La distribución de energía en el espPctro solar, observado a través de la atmósfera, es muy semejante a la de un cuerpo negro a 5.400° K. El rendimiento luminoso del Sol es de unos 80 lúmenes/vatio. Como se ve en la fig. 2, este rendimiento es tan grande como el que puede obtenerse con un cuerpo caliente.

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Fig. 2.

Cuando es preciso mantener en el laboratorio un haz de luz en una dirección fija, se necesita un helióstato o un celóstato. Los helióstatos se pueden adquirir en los comercios que venden instrumental científico. Los espejos de estos instrumentos, generalmente plaCUADRO 1 DIVISIONES DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Región espectral

Ultravioleta lejano Ultravioleta Violeta In digo Azul Verde Visible Amarillo Anaranjado Rojo Infrarrojo cercano Infrarrojo intermedio Infrarrojo lejano

Longitudes de onda límite 5oo 2000

A a Aa

2000 4000

A A

4ooo

Aa

4460

A

4460

A a Aa

4640

A

5ooo

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5000 ,\ a 5780

A A A

4640 5780

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5920

5920 ,\ a 6200

6200 Á a 7200 Á 0,72 11 a 20 11 20 !L a

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40 11 a 400 f.!

SI7

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

teados en su parte posterior, deben tener el frente aluminizado si se desea obtener en la luz reflejada todo el rango del espectro solar hasta el corte por la barrera atmosft>riea, a 3000 Á más o menos. En las fi(Z:s. 3 y 4 se dan los detalles eonstruetivos de un f'elóstato de construcción casera. El instrumento puede funcionar mrdiante los engranajes de un reloj despertador; también, por medio de un reloj Telechron. Los controle" del espejo secundario del celóstato se accionan mediante cuerdas para hacer los ajustes.

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Fig. 3

Lámparas de tungsteno. Las lámparas de tungsteno constituyen la fuente dl' luz más conveniente en l'l laboratorio. Su rendimiento es de unos 11 lúmenes/vatio para el tipo con filamento arrollado, enfriado por nitrógeno. En la fig. 6, capítulo XI, se da la distribución de la enl'rgía espectral de diversas lámparas con filamento de tungsteno. El espectro de emisión del filamento está limitado, en el ultravioleta e infrarrojo, por la transmisión del vidrio. Con bulbos de vidrio de :1,4 mm de espesor, el espectro se extiPnde desde unos 3.100 Á en el ultravioleta hasta 3 p. en el infrarrojo. En la fig. 5 se ven dos lámparas con filamento de tungsteno para el laboratorio. La dibujada a la izquierda es una lámpara de proyección. Requiere 6 voltios y 18 amperios. Un autotransformador, o una batería de acumuladores de gran capacidad, sirve como fuente

318

óPTICA: FUENTFS LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

de alimentación. Naturalmente, se prefiere la batería cuando son importantes características la constancia y uniformidad 1 . La lámpara de la derecha tiene un filamento recto. Es útil como lámpara para 4i;)"'7 tuet"ca!O. del

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detalle deJ montaJe d~J 1"r.espeJO Fig. 4.

nn galvanómetro. Amb&J se adquieren en el comercio del ramo 2 • La marea de fábrica, en el extremo del bulbo de la lámpara de 1 El autotransformador es tan satisfactorio como la batería cuando su energia proviene de la salida de un regulador de tensión Raytheon. 2 Se pueden obtener en la General Electric Company, Nela Park, Cleveland, Ohio.

OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

tungsteno, se elimina cuando interfiere la emisión de luz del filamento, frotando con rouge óptico y un trozo de fieltro. En la fig. 6 se ve una lámpara 8 con bulbo de cuarzo para espectros de absorción. El bulbo contiene argón a una presión de 1',~ atmósferas. El tungsteno funciona a unos 3.100°C y da un espectro de emisión continua que se extiende en el ultraviolt>ta hasta 2.500 Á. A la temperatura de funcionamiento, la presión de vapor del tungstt>no es apreciable y, normalmente, ennegrecería la parte de cuarzo. Sin embargo, las corrientes de convección del argón transportan

5

10 1'5 :ZO 2S

e~cala

en m m

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Fig. 5.

hacia arriba las moléculas evaporadas del tungsteno y, por tanto, no se depositan sobre el cuarzo, sino en la parte superior de vidrio del bulbo, donde no perjudican la utilidad de la lámpara. Camisa de Welsbach. 4 Esta camisa refractaria era muy usada en iluminación de viviendas y ahora se emplea en lámparas de querosene. Se la lleva a la incandescencia en la zona exterior caliente de una llama como la de un mechero de Bunsen, donde adquiere una temperatura casi igual a la de la llama. La camisa se compone de óxido de torio con 0,'15 a 2,5 por ciento de óxido de cerio, a fin de aumentar su capacidad de emisión visible. Este agregado de óxido de cerio desempeña el mismo papel que el sensibilizador en una placa fotográfica; es decir, introduce una banda de absorción -en la región deseada del espectro, sin afectar materialmente las propiedades ópticas. El efecto del óxido de cerio consiste en hacer que Esta lámpara es fabricada por Philips Laboratory, Eindhoven, Holanda. H. E., KINGSBURY, E. F., y KARRER, E., A Phy>ica/, Study of the Welsluuh Mantle, Fmnk. Jmt. ]., 186, 401, .~85 (1918). 3

4 lvEs,

320

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS. FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

la emisión en el verde sea un 30 por ciento mayor que la de un cuerpo negro a L800°C, mientras que la emisión en el rojo y en el azul corresponden a una temperatura de color de L8<J0°C 5 • La 1 ~misión en el infrarrojo cercano es inferior al 1%, desde 0,7 p. hasta J\nos 6 p., y la incapacidad de la camisa para irradiar calor en esta r~gión importante explica su alta temperatura. Para el espectro más allá de 10 ,.,., la camisa tiene otra vez una capacidad emisora superior al 75%. En el laboratorio, la camisa es una excelente fuente par(l radiaciones. de gran longitud de onda en el infrarrojo 6 . Barnes sugirió que se calentase la camisa con una llama aguda de oxígeno que le toque en un ángulo rasante 7 • Esto produce mayor 'temperatura y la sección calentada y alargada adquiere forma apropiada para iluminar 'la ranura de un espectrómetro. U:o.os años después, Pfund desa~:rolló un dispositivo que combinaba el calentamiento eléctrico con el de la llama, y obtuvo así temperaturas aun más elevadas 8 .

vidrio

cuarxo

L_ - -

alambre de

'))

tun~te11o de •Ut\05 OJ?5 tt\111

~spec.tro cot'ltit1~.to hasta 2500 A Fig. 6.

tetts¡óM eN la látttpava u11idad.zs aYbí~raria'i

Fig. 7.

Filamento incandescente de Nernsf. Los filamentos de Nernst están compue&tos por polvo de bióxido de circonio con un 15% de polvo de óxido de itrio 9 • Cuando funcionan con corriente alterna, en cada extremo del tubo refractario se aseguran alambres de plf!.tÍno flexibles, cementándolos con una me~cla de los óxidos en polvo y W. E., j.O.).A., 7, 1115 (1923). H., Deutsch. Phys. Gesell., Verh, 7, 346 (1905): Ann. d. Physik. IR. 725 (190.;); 20, 593 (1906); Phys. Zeit>., 6, 790 (1905); 7, 186 (1909) 1 BARNES, R.· B., Rev. Sci. lntr., 5, 237 (1934). H PFUNl>, A. H., ].O.S.A., 26, 439 (1936). 11 NERNST, W., y BosE, E., Phys. Zeits., 1, 289 (1900). Los filamentos de Nemst se obtienen en Jos Stupakoff Laboratories, 6627 Hamilton Avenue, Pittsburg, Pensilvania. 5 FORSYTHE,

6 RUBENS,

~21

OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, nLTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS

cloruro de circonio como aglomerante. Cuando funcionan con 1 corriente continua, el procedimiento para fijár los electrodos es/ más complicado. La lámpara de Nernst funciona, normalmente, ' unos 2.000°K. Su espectro se extiende de"'de nna parte del ultravioleta hasta una parte del infrarrojo. Sin embargo, se dice que, mts allá de 15 p., su emisión es inferior a la del calefactor de Globar.¡ En cierto momento, el filamento de N ernst pareció tener gran aplicación en iluminación comercial, por su rendimiento luminos(J di 6 lúmenesfvatio, comparado con los 3 lúmenesfvatio del filamento de carbón. Pero la lámpara incandescente moderna, con filamento de tungsteno en atmósfera de nitrógeno y un rendimiento de 11 lúmenesfvatio, cambió las cosas por completo. Actualmente, el uso ·de la lámpara de Nernst queda confinado al laboratorio. Su l,itilidad di SI ación

mica

aislación d~ mica

Fig. 8.

depende de que funciona en el aire y su forma es conveniente (un cilindro de 0,4 a 0,6 mm de diámetro y 1 a 2 cm de largo) para enfocar sobre la ranura de un espectrómetro. Griffith describió los detalles constructivos de un filamento de N ernst 10 10 GRJFFITH,

522

H. D., Phil. Mag., VI, 50, 263 (1925).

OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS

'Puesto que la lámpara de Nernst tiene un coeficiente de temperatura negativo, hay que estabilizarlo con una resistencia externa o, mejor aún, con una lámpara con filamento de alambre de hierro montado en hidrógeno 11 . El alambre de hierro de esta lámpara funciona con un tenue resplandor rojo ; su notable efecto estabilizador de corriente en una atmósfera de hidrógeno, a una presión de 30 a 100 milímetros, se representa en la fig. 7. Dicha lámpara consume un 10 a 15 % de la potencia total necesaria para que funcione el filamento de Nernst. Calefactor de Globar. El calefactor de Globar es una varilla de carburo de silicio de 7,5 mm de diámetro y 25 cm de largo aproximadamente. Los extremos encajan en electrodos de aluminio. Un potencial de 100 voltios, aplicado a la varilla, la calienta hasta el amarillo o el anaranjado. Puede funcionar en aire a una tempera-

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tura superior a 1.000°0, aunque, a temperaturas de 2.00000, el carburo se disocia y se evapora u oxida el carbono, dejando el silicio o bióxido de silicio, en presencia del aire. Una capa protectora de bióxido de torio incrustada en la parte exterior del Globar, con cloruro de torio como aglomerante, permite temperaturas superiores a 2.000°0 12 . En la fig. 8 se ve el montaje adecuado para el Globar. 11 Para la teorfa de esta lámpara con hidrógeno, ver BuscH, H., tfnn. d. Physik, 64, 401 (1921). 12

Agradezco a C. H. Cartwright por esta información.

523

OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

Lámpara de arco de carb6n. La lámpara de areo de carb6n resulta útil como fuente luminosa en el laboratorio. Por lo general, el carbón positivo va montado horizontalmente. Un carbón positivo de 8 mm se consume con la misma velocidad que un carbón negativo ver1ical de 6 mm. Entonces, si se emplea carbón de este tamaño, se lo puede introducir en forma automática en el arco con un mecanismo de relojería.

El arco de carbón necesita, por lo menos, 40 voltios para funcionar. Una tensión más alta aumenta el tamaño del cráter positivo sin afectar materialmente su temperatura superficial. Si se agregan núcleos de sales metálicas al carbón, se puede influir sobre el carácter de la emisión de luz del arco de carbón común.

Fig. 10.

(Para obtener un arco blanco se emplea, a menudo, fluoruro de magnesio.) En la fig. 9 se ve la distribución espl'ctral del arco de carbón con núcleos. Es una curva de las desviaciones del galVIlJlÓ· metro en función de la longitud de onda, determinada con un monocromador con óptica de cuarzo (fig. 32) y una célula fotoeléctrica de óxido de cesio (ver capítulo X). El ancho de la ranura era el mismo para todas las longitudes de onda. Esta curva no estima el error en la transmisión de las lentes (fig. 5 del capítulo XI) usadas para enfocar la luz. Sin dicha lente, el espectro se extenderá hasta penetrar en el ultravioleta.

OPTICA: FUENTEs LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUJO:NTOS OPTICOS

El arco de carbón común tiene un brillo de cráter de unas 13.000 bujías/cm 2 y un rendimiento de unos 35 lúmenes/vatio. La Sperry Gyroscope Company fabricó un arco con blindajes espet"iales, a fin de confinar la corriente dentro de un límite definido alrededor del cráter giratorio 13 . Este arco es unas seis veces más brillante que el arco común. Lummer ha obtenido temperaturas extremas con el arco de carbón, haciéndolo funcionar en una atmósfera inerte y a gran presión. A una presión de 22 atmósferas, consiguió temperaturas hasta de 7.600°K, mucho mayor que la temperatura de la superficie solar. El brillo de la superficie. para esta temperatura, era de 280.000 bujía~/cm 2 • Es difícil lograr una temperatura y un brillo de tal magnitud. l>u.Je

de

lat:Ó11

Fig. 11.

MediciÓ'n. En la fig. 10 se da un método claro y preciso para medir y registrar datos dm·ante el estudio preliminar de la placa de un espectro. Este procedimiento utiliza una copia ampliada de la placa original del espectro, a fin de identificar las líneas de hierro y las otras líneas de referencia que aparecen en el o~ular del comparador. Para facilitar la identificación, las longitudes de onda de las líneas del hierro aparecen escritas en el margen de la copia. Esta copia sirve también como un registro permanente del espectro, así como una con~ancia de los datos de las mediciones. En primer lugar, se anota en el margen las longitudes de onda de las líneas evidentes del hierro, que se emplean como líneas de referencia durante la medición. La placa original tiene el mismo 18 BENFORD,

F., Trans. Soc. Motion Picture Eng., 24, 71 (1926).

S25

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

aspecto, en el ocular del comparador, que la copia ampliada; por consiguiente, resulta útil para identificar las líneas de comparación. Determinada por interpolación la longitud de onda de cada línea desconocida, se registra a un lado de la copia, como se ve a la izquierda de la fig. 10. Se purdrn agregar también notas, cuando se identifican las longitudes de onda mediante las tablas de Kayser u.. Arcos de hierro. Los espectrocopistas emplean en el laboratorio el arco de hierro como fuente de luz ultravioleta y como fuente normal de comparación. Se ha estudiado bien su espectro y se conocen las longitudes de onda de las líneas, así como el efecto de la polaridad y de la presión sobre estas últimas 15 • En la fig. 11 se ve un arco de hierro desarrollado por Pfund 16 , apropiado para los trabajos de laboratorio. Para estabilizar el arco, se coloca en el electrodo inferior una perla de óxido de hierro. Si el electrodo superior es una varilla de grafito. el arco es todavía más estable que con un electrodo de hierro 17 • Se inicia el arco pasando carbón entre los electrodos. Arcos de mercurio de baja presión. El arco de mercurio de baja presión constituye una buena fuente de luz en el laboratorio 18 • Da varias líneas nítidas en el visible, el ultravioleta y el infrarrojo cercano. Estas líneas están suficientemente alejadas para que haya necesidad de separarlas con filtros (ver cuadro XI). El espectro ultravioleta de un arco en un tubo de cuarzo fundido se extiende hasta unos 2.000 Á. La energía en el límite de la longitud de onda muy corta produce ozono en el aire. Sin embargo, la formación del ozono se va debilitando a medida que la lámpara funciona, gracias a las variaciones en el límite de transmisión del cuarzo. Por último, la formación del ozono cesa prácticamente. Baly comprobó que ese cuarzo emite una fosforescencia verde y vuelve a tener su transparencia primitiva, si se lo calienta en un soplete 19• H KAYSER, H., Tabelle der Hauptlinien der Linienspektra aller Elemente. Berlín: Julius Springer, 1926. 15 Ver: BABOOK, HAROLD D., Astrophys. ]., 66, 256 (1927); 67, 240 (1928). ST. JoHN, CHAS E., y BABCOCK, HAROLD D., Astrophys. ]., 46, 1!18 (1917); 5!1, 260 (1921). 16 PFUND, A. H., Astrophys. ]., 27, 298 (1908). 17 La National Carbon Company produce grafito puro de calidad espectros· cópica. El arco de carbón puro presenta sólo una línea en la región visible o en la ultravioleta. Esta Hnea es 2478 A. 18 Para una descripción de un arco de baja presión simpre y de confección casera, ver PFUND, A. H., Astrophys. ]., 27, 299 (1908). 19 BALY, E. C. C., Spectroscopy, Nueva York, Longmans, Green y Compañia, 1927.

!126

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

La luz de mercurio del tipo Cooper-Hewitt tiene un brillo de unas 2,3 bujías/cm 2 • La lámpara común de iluminación CooperHewitt tiene, más o menos, un tubo de 1.2 metros de larg-o y 2,5 cm de diámetro. Es una fuente luminosa útil para muchos experimentos, cuando se desea una fuente extensa, como en la observación de las franjas de Haidinger y de Newton. Si se des(?a una iluminación uniforme en un área extensa, se cuelga tela de dibujo debajo de la lámpara. Naturalmente, la lámpara Cooper-Hewitt no emite en vidrio todo el espectro ultravioleta. Hace algún tiempo apareció en el mercado este tipo de arco, construido con un tubo de vidrio púrpura Corrx, que suprime la radiación visiblr (excepto la 4046) y transmite el ultravioleta cercano. En esta forma es excelente para usos trrapéuticos. r~sist C?t1c>ia.

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El arco comercial de cuarzo, en vacío, es mucho más brillante (350 bujíasfcm 2 ) que la lámpara Cooper-Hewitt. La lámpara común de cuarzo caliente no es conveniente para el laboratorio, pero, en la actualidad, se fabrica con rstr propósito en forma de tubo recto vertical dr cuarzo 20 . Estos arcos para laboratorio están equipados con rectificadores, de modo que funcionan con corriente alterna o con corriente continua. Arcos de mercurio de alta presión. Harries y Hippel 21 describieron una lámpara de mercurio de alta presión que ahora ya es de uso comercial 22 (fig. 12). La lámpara sP monta dentro de una 20 Esta lámpara y la anterior se obtienen en la Cooper-Hewitt Electric Com· pany. Hoboken, Nueva Jersey. 21 H ~RRIES, W. v HH•Pt L, A. V., Phys. Zeits., 33, 81 (1932). 22 Esta lámpara se obtiene en Schott und Gen., Jena, Alemania. Su agente en los EE.UU. es Fish-Schurman Corporation, 250 East 43rd Street, Nueva York.

327

óPTICA: FUENTES LUMINOSA:., FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

caja hermética, lo cual la hace práctica para el laboratorio. La lámpara es de vidrio uviol o cuarzo, con cadmio o sin él, para obtener la línea roja del cadmio, 6438 A. También se suministran filtros de vid:r:io Schott, a fin de aislar las líneas amarillas, verdes, azules, violetas o ultravioletas. El espectro de la lámpara de alta presión presenta un fondo continuo considerable. En consecuencia, con filtros no se 'obtiene en el espectro una pureza tan grande como con el arco de baja presión. Sin embargo, la emisión es muy uniforme, sobre todo cuando la lámpara funciona con una batería de acumuladores. Cornelius Bol, de la Universidad de Stanford (antes de los laboratorios Philips, Eindhoven, Holanda) dt>sarrolló el arco de mercurio llamado de super alta presión 23 . No obstante, la descarga que produce la alta presión se inicia con argón, a una presión de 2 ó 3 cm de mercurio. El potencial de funcionamiento de la lámpara cm ------•'1',,._. t.

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Fig. 1!.

es de unos 500 voltios. El calor generado por la descarga de argón volatiliza el mercurio líquido de la lámpara, hasta que el gas de mercurio alcanza una presión de unas 200 atmósferas. En virtud de la alta presión final, la lámpara debe hacerse con un tubo capilar de paredes gruesas, como .se ve en la fig. 13. I.os electrodos de tungsteno sobrepasan los depósitos de mercurio, a fin de conduci:t: la descarga hacia la parte central del tubo. En el centro, se alcanzan temperaturas de 8.600°0 y valores de brillo varias veces mayores que el del tungsteno fundido. Por ejemplo, una lámpara que funciona C., Das Licht, 5, 84 (1935); INGENlEUR, 50, 91 (1935). B. T., y FoRSYTHE, W. E, ].O.S.A., 27, 83 (1937). DusHMAN, S., ].O.S.A., 27, 1 (1937). Con bibliografía de fuentes gran rendimiento. 23 BoL,

BARNES,

S28

lumino~as

de

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMFNTOS óPTICOS

con 640 voltios y a una presión de 200 atmósferas tiene un brillo de 180.000 bujías/cm2 y un rendimiento luminoso de 79 lúmenesf vatio. En la fig. 9 se da la emisión de una lámpara de Bol (ver tambirn cuadro JI). La superficie interna del capilar de cuarzo alcanza, probablemente, una tl>mperatura mucho mayor que la temperatura critica del mercurio, de manera que éste no puede condensarse. La en· voltura de gas de mercurio, alrededor del núcleo central caliente del arco, absorbe la línea de resonancia emitida en el núcleo, y a la temp~ratura y presión obtenibles, la línea de resonancia es tan ancha, que su absorción se extiende sobre la mayor parte del espectro ultravioleta (hasta 2700 Á). En la lámpara de Bol, los electrodos van soldados con otro vid'rio. Un•) lámpara de tamaño adecuado para el laboratorio tiPne su¡;:. electrodos a la distancia de 1 cm. Se la llena, primero, con gas argón a 2 cm de presión y, luego, c<m mercurio líquido, hasta que los alambres de 0,75 mm sobrepasan al mercurio %mm en cada extremo. J.Ja lámpara funciona ron un transformador de 640 voltios. Se lo conecta en serie con el arco y una reactaneia apropiada. Cuando se establece el arco, la reactancia saca unos 3,4 amperios del transformador 24 •

En la tig. 14 se ve una lámpara con vapor de mercurio, "fría" de baja presión 21í. Como gas de encendido dicha lámpara emplea hidrógeno, argón u otro gas noble, a pocos milímetros de presión. El calor desarrollado por la descarga. en el gas noble destila vapor de mercurio del metal líquido. El potencial necesario para que la lámpara funcione se obtiene con un transformador oe letreros luminosos o con una batería de acumuladores y una bobina de Ruhmkorff. La lámpara tiene un brillo diez veces menor, en el espectro visible, que la lámpara de Harries y Hippel, pero su em1swn a 2.536 Á es muchas veces mayor; en realidad, alrededor del 80 % de su emisión total se halla en la línea de resonancia. y

24 La lámpara de Rol debe funcionar rodeada por una corriente de agua refrigerante. 2!í Esta lámp;¡ra se obtiene en la Reed and Miller Company, 16 South Ray:lond Street, Pasadena, California.

329

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

La línea d1' resonancia de la lámpara de mercurio de la fíg. 14 tan fuerte, que los vapores de mercurio, que salen de gotas de mt>renrio líquido que se tiene en la mano, dan una sombra notable ~o~obre una pantalla fluorescente 26 • Con un filtro púrpura Corex de 3 mm, usado para ;uprimir el espectro visible, esta lámpara es ideal cuando se quiere excitar la fluorescencia de minerales. Este tipo de luz de mercurio resulta muy útil para experimentos. Cuando se usa neón, en vez de argón, como gas de encendido, ~sta fuente da una serie de líneas brillantes bien distribuidas sobre el espectro• desde los 2.536 Á hasta los 10.140 Á. En el espectro del mercurio, el espacio entre los 6.907 Á y los 10.140 Á está cubierto con una serie de líneas del neón, alrededor de los 8.300 Á 27 . Más adelante hablaremos de los filtros que se usan con Jos diversos arcos de mercurio y que dan luz monocromática. Otras descargas gaseosas. En la actualidad, los arcos de sodio se venden en el comercio. Van montados dentro de un recipiente de vidrio especial que no es atacado por el vapor del metal 28 • e~o~

CUADRO II CARACTERtSTICAS DE LA LAMPARA DE MERCURIO DE SUPER ALTA PRESióN Y DE LA LAMPARA DE SODIO

Caracterlatlcaa Presión (atmósferas) ..........•... Densidad de corriente ...........••. Sección transversal (cm2) ........•. Buj!as/cm2 ....................... . Temperatura del vapor (oC) •.....• Potencia luminosa (lúmenes/vatios) .

Limpara de sodio l(t-5

0,( 1,43

10 a 20 280 68

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Limpara de mercurio

200 280 0,0076 1,8 X 105

8600 78

HELLER, G, Philips Techn. Rev., l, 2 (1936). Lámpara de mercurio: 1400 vatios y enfriada por agua, Ul amperios, secdón transversal 2 mm. l-ámpara de sodio: lOO vatios en un frasco transparente de Dewar.

Estos arcos funcionan dentro de un frasco de Dewar transparente y ofrecen una fuente de luz monocromática de gran superficie, 26 Ver l.EJGHTON', W. G., y LEIGHTON, P. A., ]out". o{. Chem. Ed., 12, 139 (1935). 21 Para monocromadores de ranura ancha, la lámpara de tungsteno es, en esta región, una fuente de luz mucho más brillante que la descarga del argón. 28 BurroLPH, L. J., Am. Jllum. Eng. Soc. T~ans., 30, 147 (19!15). Para lámparas similares se emplean vapores de otros metales, ver ALTERTifUM, H., y IU:GER, M., Das Licht. !1, 69 (1933).

330

OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS

muy satisfactoria en pruebas y demostraciones. En el Cuadro Il se dan las características de esta lámpara y de la lámpara de Bol. El Pyrex no es atacado por el sodio con tanta facilidad como el vidrio blando y, si se funde bórax o ácido bórico en su superficie interna, aumenta aún más su resistencia a los metales alcalinos 29. Los vapores del metal alcalino no atacan los cristales de magnesia y, por eso, se lo puede usar en experimentos en que el sodio, a temperaturas y presiones mayores, tiene que confinarse en recipientes con ventanas transparent "S, tanto al ultravioleta como al infrarrojo 80 • El espectro ultravioleta de un tubo de descarga de hidrógeno es continuo, y se extiende desde el límite de emisión de longitud de onda corta del tungsteno incandescente, hasta longitudes de onda más cortas, en el límite de transmisión del cuarzo. Este espectro continuo de hidrógeno se excita mejor con fuentes del tipo desarrollado por Duffendack y Manley, Smith y Fowler, Munch y

Fig. 15.

J acobi 81 • Dichas fuentes excitan el espectro con electrones térmicos emitidos por un cátodo caliente. Ver capítulo XIV. 80 BRICE, R. T., Rev. Sci. lnstr., 8, 209 (1937). STRON"G, J., y BRICE, R. T., ].O.S.A., 25, 207 (1935) . .81 DUFFENDACK, 0. S., y MANLEY, J. H., ].O.S.A., 24, 222 (1954). DUFFENDACK, 0. S. y THOMSON', K. B., ].O.S.A., 23, 101 (1955). HERZBERG, G., Ann. d. Physilt, 84, 553 (1926). JAOOBI, G., Zeits. f techn. Physrk, 17, 382 (1936). LAU, E., y REICHENHEIN', 0., leits. f. Physilt, 7~. 31 (1951). LAWRENCF, E 0., y EDLEFSEN', N. E., Rev. Sci. lnstr., 1, 45 (1950). MuNCH, R. H., Am. Chem. Soc., ]., 57, 1865 (1955). SMrm, A. E., y Fowua. R. D., J.O.S.A., 26, 79 (1956). 29

~31

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

Existen en el comercio distintas clases de tubos capilares de dPscarga con diferentes gases elementales 3 ~. Chispas. Para obtener Pl espe de una veflex•ón del

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Fig. 23. Según H

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segunda reflexión, el aspecto de onda corta se atenúa nuevamente unas veinte veces, o sea cuatrocientas veces en total, mientras que afecta poco a la energía en la banda de ondas próximas a 52 ,.,.. En consecuencia, después de cuatro o cinco reflexiones, las únicas radiaciones que quedan, los llamados rayos residuales, son las de la banda de 52 p.. 341

oP'l'JCA: JI'VDTBS LUJIIN9SAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

CUADRO VIII

Número de reflexiones

Espejos cristalinos

Cuarzo Fluorita Metal Fluorita Calcita Calcita Fluorita Metal Aragonito Metal NaCl KCI KBr KI TlBr TU

4

3 1 .2 2 4

B 1

B 1 4 4 4 4 4 4

Energía (cm de Longitud ¡Frecuencia desviade onda ( l ) ci6n; (J.l) .-J cm escala a 3 mm) 1

Filtro (3 mm de parafina en cada caso)

l

1 cm KCl 5 mm KCl

20,7 23

183 485

44

3 mm KBr

27,3

366

42:

Ninguno 0,4 mm cuarzo 1,2 mm KBr 0,4 mm cuarzo

29,4 32,8

340 305

95 2,6

41

244

1,6

52 63 83 94 117

192 159

z

2 2 2 2 2 2

mm mm mm mm mm mm

cuarzo cuarzo cuarzo cuarzo cuarzo cuarzo

'

18

5,2

120

1,6

106

1 1,7

85 66

152

1

El empleo de estas reflexiones sucesivas es un procedimiento normal en la obtención de bandas de radiación monocromática en el infrarrojo lejano. En el Cuadro VIII se dan los cristales que

~

i

+

+

...

soluc1Ót1 de cloyoro de cobre (.CI,_CtJ)

+

;-

+

+

+

2.~%

+

2

cm

de czspesot-

1-'ig. 24 'legím H

Rt>RF'\'

se usan para obtener diversas longitudes de onda. En otra parte del capítulo describiremos los instrumentos utilizados para tener estos rayos residuales. 342

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

Absorbentes especiale& para el infrarrojo cercano. El agua es tranl-lparentP a longitudes dP onda mayorPs quP 0,2 p. en el ultravioleta y en todo pl espPctro visiblP (vPr fig. 24). No obstante, es opaca en Pl espectJro calórico, para todos los rayos más allá del límite A, y para espesor T 0 , como se indica en el Cuadro IX. CUADRO IX LíMITES DE TRANSMISióN DEL AGUA EN EL INFRARROJO, PARA EL ESPECTRO SOLAR

1. en

'to

2,4 1,5 1,2 0,9 0,6

1 mm 1 cm 10 cm 10 cm 100m FowLE,

1.1.

·F. E., Smithsonian Miscellaneous Collections, 68. 49 (1917). W., Meterolog. Zeituh., 25, 321 (1908).

ScHMIDT,

A menudo, se emplea un filtro de agua para absorber los rayos calóricos emitirlos cuando SP utiliza como fuente luminosa un arco de carbón, t!l Sol o una lámpara de tungsteno. Este filtro de agua impide, a cau~a del calor, se rompan los diapositivas, SP quemen CUADRO X TRANSMISióN DEL' VIDRIO AKLO RESISTENTE AL CALOR (2 mm DE ESPESOR) PARA LA LUZ DE UNA LAMPARA DE VACíO MAZDA (2360° K)

F 11 t ro

........................... ······················· ························

Extra luminoso N9 395 Luminoso NQ 396 Mediano N9 397 Oscuro NQ 398 ...........................

Radiacl6n total

Radiaci6n visible



(%)

40 21 11 4

83 75 64 42

Filtro de vidrio de color, Coming Glass Work.s. Coming, Nueva York.

las películas fotográficas, se rl'calienten los objl'tivos de los microscopios o sP caliPntl'n I'XCPsivamentl' los prismas polarizados de Nicol. Si se agregan al agua sales cúpricas aumenta la absorción al in-

343

Pl'ICA: J'UI:NTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS

lot12•tud de onda en unidades A".!(st.t'om

W•filtros de gelalolna de WJe

tnd ll l;l:'IICY Utla t.ett1¡>C~ódo

turd umtorme et1

díafra~~a Jl

luz aprox¡mat.; damen~e mofiltm de vtdno_ pul· noct'omát:ica ven;z:ado 9 011 ltqUI· do del ttlismo índice

de vefracctón

Cl COttl.-etlldO

homogéneo. El filtro es un medio óptico no homogéneo para todas las otra..; longitudes de onda. Por consiguiente, éstas :;e dispersan. 6 CHRhiiANWN, C., Ann. Physik. u. Chemze, 23, 298 (181!4); 24, 439 (188'\). Mc.ALisTER, E. D., 5mzthsoman Mzsc. Coll., 93, N~' 7 (1935).

4

346

óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

Con el dispositivo de la fig. 28 las ondas dispersas se separan del color transmitido. En la fig. 29 se ve la transmi>.ión individual de cinco filtros; t>sto~ filtros tenían 18 mm de espesor y eran de vidrio al borosilicato con diferentes concentraciones de bisulfuro de carbono en benceno. Una de las limitaciones del filtro de Christiansen radica en que no es complt>tamentt> opaco a longitudes dt> onda de los extremos de la banda de transmisión. tvasmisión de ungvu-

pode cinco filtros

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~-otos filtros p-; su sen'iibilidad a los cambios de tt>mperatura. No t>s po¡;iblP utilizarlo., con efieaeia t>n un haz dt> luz interna como la luz solar a tilo líquido, tran-.mitía luz roja a 18° C (64° J

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en umdades Atlg!;;tYchu

}'ig. 30.

:Reflexión en metales. De todos los metales útiles para la reflexión de la luz en el espectro visible los tres más importantes son rl aluminio, Pl metal l'lpPculum (aleación de estaño y cobre) y la plata. Los gráficos de la fig. 30 representan la reflectividad de los tres. Se observará que el aluminio es superior a deposiciones nuevas de plata para todas las longitudrs de onda menores que 4100 A. Se rrcomienda emplear aluminio en vez de plata en el visiblP; aunque la plata nueva trnga mayor rrflPctividad qur rl aluminio rn rl visiblr, sr empaña pronto. El aparato dr la fig. 31 fue usado para mrdiciones de la reflertividad. Ef>ü' aparato midr en forma dirrcta el cuadrado de la reflectividad absoluta (ponirndu el esprjo comparador rn rl numrrador y en rl denominador, por así decir).

348

OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS

CUADRO XI FILTROS PARA AISLAR LíNEAS DEL MERCURIO

Vidrio Corning

Radiación

Eatsman Wratten

Filtros J[quidos

Infrarrojo o G554EK, 6 a 8 mm 88, usado por R. 10.140 W. Wood u 89A

Vidrio azul cobalto y solución saturada de bicromato de potasio 5769 a 6790 G34R, 3 a 4 mm Crisoidina y eosina 22 Hg ámarillo 5461 G555Q, 8 a 10 mm 62 Hg verde o 77 Nitrato de amonio 1 y G34Y, 3 a 4 Hg €special o neodimio y bicromato de potasio mm 77A, Hg esp€cial para interferometrfa Novio! A, 3 mm y 50 Hg azul G585, 3 a 5 mm 4047 a 4078 G586A, 3 a 5 mm 36 Hg violeta y Novio!, 0,3 a 4 mm 3650 G586AW, 8 a 10 18 ultravioleta 3656 mm 4359

Vidrio azul cobalto y sulfato de quinina Violeta de m€ti1o y sulfato de quinina Violeta de metilo y verde ácido

3663

BuiTOLPH, L.

J.,

Engineering Bulletin 101-B, Cooper-Hewitt Company.

Monocromadores. El mejor método para aislar de una fuente de luz blanca una banda estrecha de longitudes de onda de gran purt>za t>Spt>ctral t>s usar un doble monocromador, es decir, dos monocromadores simpll's construidos en uno. A menudo &e neeesita una gran purt>za espt>ctral para t>fectos muy selectivos como, por ejemplo, la dett>rminación dt>l límite dt> longitud de onda larga del efecto fotot>léctrico, porqut> con un monocromador simple una levf:' impureza espectral viciaría los resultados de las mediciones. Mediante fi;tros f:'ll 't>rif:' con un solo monocromador podríamos aproximarnos a una purt>za t>Spf:'ctral grande. Pero ésos filtros son generalmente mt>nos f:'firientt>s que un monocromador solo; la transmisión de este último t>S dt> un· 45 %. El monocromador puede tener lentes aeromátieas, pero éstas son muy caras cuando están hechas con materiales que sirvan para el ultravioleta. Por lo gent>ral, los monocromadores emplean lentes de cuarzo. Se las pone en foco con un mecanismo accionado por un tambor calibrado en longitudes de onda. La fig. 32 indica cómo rf:'alizar esta operación en el monocromador doble de Hilger-Müller, mf:'diante un ejf:' de lt>vas montado en la mesa del pri&ma. A medida quf:' la platina eon prismas y el sistema de lentes se mueve eomo

3PTICA: FUENTES LUMINOSAS. FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

una unidad hacia PI sistPma de ranuras, las lentes son enfocadas para longitudPs de onda rada vez más cortas. El Pje de leva¡;, se eonstruye dP tal forma quP las longitudes de onda caen en las ranuras de salida para las cuales las lentes están enfocadas. ~q'q,~

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Uso de espejos en los monocromadores. En los monocromadores -..e usan a mPnudo espejos parabólicos, porque un sistema óptico con Pspejos t's acromático. Sio. embargo, los espejos tienen la ventaja, t"omparados con las lente,, de que Pl haz paralelo colimado vuelve hacia la ranura dP Pntrada, lo cual impide una disposición simple de las dt>más partPs ópticas. Cuando se. desea que un espejo esté ~obrE' su pjf' óptico sp requiPrP uno auxiliar, plano, como en el esquema dt> Pfund 411 dt> la fig. 33 a), o un espejo fuera de eje, como Pn la fig-. 33 b). Uno de lo, métodos para hacer este espejo fuera de PjP es construir un espejo parabólico grande común y cortar el Pspejo conveniente de uno de sus lados. También puede usarse un sistema de espejos compuesto por es¡wjos esféricos, como el dt> la fig. :3~ e). Por supuesto, esto introduce distorsiones muy notables en el frente de onda. Sin embargo, orientado Pn forma apropiada un espejo imperfPcto similar, PS pom PHI1'«1l, A. H., ].O.S A., 14, 337 (1927). Para una aplicación del espectrómetro con red de Pfund, ver RANDALL, H. M., Rev. Sci. Instr., 3, 196 (1932). HARDY, J. D., Phys. Rev., 38, 2162 (1931).

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óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

sible compensar, en cierto sentido, las distorsiones producidas por el colimador y lograr una mejor definición que la que podría alcanzaThe aun cuando se empleara un telescopio perfecto. En la fig. 34 se ve la disposición apropiada del sistema del telescopio para obtener esta compensación, con la distribución de los elementos según W adsworth 50. prismas de cuarzo c.a.1 la payt;~ postei"ÍOI"

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Fig.

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Monocromador doble de

HILGER·MULLER.

En los monocroinadores t>l sistema óptico :-1gue el e&quema dt> Iáttrow o el de Wadsworth, y ambos utilizan liD prisma de de::.viación mínima. La fig-ura 35 representa los dos esquemas 51 . Monocromador de agua. E.n la fig. 36 se ve un monocromáac.r para el ultravioleta eon un sistema óptico improvisado, di!-.eñado por Harrison 52 • Las partes ópticas consisten en un prisma dr agua y un espejo esférieo aluminizado. Este monocromador es muy simM., y TURNER, A. F., Zeits. f. Physik, 61. 792 (1930). M., y PLETTI2). WADSWORTH, F. L. 0., Phil. Mag., 38, 1~7 (1894); Astrophys. ]., 2. 264 (1895) 50 CZERNY,

CzERN"Y,

112 HARJliSON, GEORGE

R., Rev. Sci. Instr., 5, 149 (1934).

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óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS

ple y, ópticamente, es bastante bueno para aislar la¡; líneas fuertes del mercurio (como enseña la figura). Tiene una abertura relativamente grande, f /6. La dispersión del cristal de cuarzo, del cuarzo fundido y del agua están en la relación 25 :21 :19 a los 3000 A. Como

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