Per què el cel és blau? (2)

NOTA: En aquesta experiència s’utilitzen punters làser; tingues present que han de ser de baixa potència, que mai s’ha d’enfocar directament (ni amb reflexió directa) als ulls i que l’experimentació ha d’estar supervisada per una persona adulta.

Ja fa temps es va publicar al bloc una entrada Per què el cel és blau? sobre el perquè del color del cel i les postes de sol rogenques, en aquell cas s’utilitzava aigua amb unes gotes de llet.

Ara repetim l’experiència però utilitzant una barra de silicona calenta, una llanterna blanca i punters làsers de colors vermell i blau/violat… observa:

L’explicació continua essent la mateixa: la llum blanca està composta de tots els colors de l’Arc de Sant Martí però nosaltres ens fixarem només en els colors més extrems, el vermell i el blau/violat.

La silicona dispersa la llum de color blau en totes direccions i en canvi no dispersa tant la llum vermella de manera que al final de la barra de silicona arriba la llum amb una tonalitat vermellosa… tal com veiem el sol quan es pon.

Si ho provem amb llums de colors, veiem que amb el làser blau/violat la llum es dispersa molt lateralment de manera que al final de la barra pràcticament no hi arriba llum (“sol fosc”). En canvi, quan hi fem incidir la llum del làser vermell encara que hi ha dispersió lateral aquesta és molt menor i per tant observem el final de la barra completament vermell (“sol vermell”) perquè encara hi arriba llum que no s’ha dispersat.

Aquest és doncs el que passa a la nostra atmosfera: dispersa molt el color blau i menys el color vermell i això provoca que el cel sigui de color blau i el sol vermellós, sobretot a la posta.

Proveu-ho… i bona posta de sol confinada 😉

Fosforescència d’emergència

NOTA: En aquesta experiència s’utilitzen punters làser; tingues present que han de ser de baixa potència, que mai s’ha d’enfocar directament (ni amb reflexió directa) als ulls i que l’experimentació ha d’estar supervisada per una persona adulta.

Segur que t’has fixat en els panells de seguretat que hi ha en tots els recintes públics (botigues, teatres, aeroports…) que indiquen les sortides d’emergència, la situació dels extintors, els punt de trobada…

Estan confeccionats amb una base de material fosforescent que ens pot ser molt útil per experimentar sobre l’energia de la llum de diferents colors (i pels alumnes de batxillerat sobre l’energia o freqüència llindar en l’efecte fotoelèctric).

Observa el vídeo i després el comentem…

Aquest material emmagatzema l’energia lluminosa i la retorna lentament emeten una llum de color verda. Si tenim en compte que l’energia de la llum està quantitzada, és a dir es transmet en paquets d’energia (h·f, on ha és la constant de Planck i f és la freqüència del color de la llum) i no de forma contínua, aleshores l’energia lluminosa que capta ha de ser superior a la que emet o també la freqüència (energia) del color incident ha de ser superior a la del color que emet.

Recordem que el color menys energètic és el vermell (f = 450 THz) i el més energètic és el violat (f = 750 THz) seguint l’ordre dels colors de l’Arc de Sant Martí (vermell, taronja, groc, verd, blau i violat, de menys a més energia). Així doncs si il·luminem amb llum vermella el panell no s’activa, tampoc ho fa amb el mateix color verd (recordem que l’energia incident ha de ser superior!) i només reemet la llum quan l’il·luminem amb el color blau o violat perquè els fotons d’aquesta llum són més energètics que els fotons de la llum verda.

Podríem pensar que si il·luminem amb llum vermella durant molta estona el panell, al final l’energia emmagatzemada serà prou gran com per reemetre la llum verda fosforescent, doncs no! Justament aquest efecte fotoelèctric (l’Albert Einstein va rebre el Premi Nobel per explicar aquest fenomen) s’explica per la quantització de l’energia: els electrons de la placa només són activats en el cas de rebre un paquet energètic (fotó) superior a l’energia llindar d’aquest material, l’energia dels fotons del color verd en aquest cas.

Líquid màgic

Falten pocs dies perquè ens visitin els Reis d’Orient i si no saps què demanar-los ara et suggereixo un bon regal: un tub de plàstic transparent amb un líquid màgic a dins que inverteix totes les lletres… totes? Doncs no, les de color vermell no les modifica de manera que si escrivim DIOXID DE CARBONI veurem a través del tub que podem continuar llegint correctament DIOXID DE i en canvi la paraula CARBONI la veurem invertida. El mateix ens passarà si observem ADN CODI GENETIC, en aquest cas només podrem llegir correctament la paraula CODI.

Quin és aquest líquid màgic? On el puc comprar? És gaire car? El trobaré en botigues virtuals per internet? Me’l portaran els Reis si no he fet gaire bondat?

De fet, si coneixem una mica els principis de l’òptica geomètrica veurem que la ciència en aquest cas juga a favor nostre. Segur que tots hem observat a través d’una lupa (lent convergent) i veiem que si observem l’objecte entre la lent i el focus aleshores observem una imatge virtual, dreta i més gran (per això parlem que fa de lupa) però si allunyem l’objecte més enllà de la distància focal aleshores veurem la imatge invertida tal com es pot veure en la imatge.

Si fem la trajectòria dels raigs a partir de l’objecte veurem clarament la inversió que observarem.

Bé, anem al líquid màgic… en el nostre cas el cilindre de plàstic està ple d’aigua (sic) senzillament perquè el cilindre sigui una lent cilíndrica convergent, això si de focal molt i molt petita. Així doncs les paraules estan situades més enllà del focus de la lent i per tant les veurem totes, si totes, invertides. El color doncs no té cap efecte només que les paraules de color vermell les hem triat simètriques respecte l’eix horitzontal i encara que s’inverteixin (com les dels altres colors) es continuen llegint perfectament.

Aquest doncs és un joc fet amb materials molt senzills i que fa anar de cap a moltes persones (fins i tot professors i científics) fins que els més observadors diuen: ah, ja ho tinc!!!

Nota: Aquesta experiència la vaig veure per primera vegada a Ciencia en Acción i la presentava l’Antxon Anta, un bon amic i un excel·lent divulgador del País Basc, gràcies doncs Antxon 😉

Cel·lo i cel·lofana de colors

Més experiències amb polaritzadors… recordeu que no cal disposar d’una làmina polaritzant com la del vídeo doncs és cara i difícil d’obtenir, podem fer-ho amb unes ulleres de sol doncs les de més qualitat són polaritzades.

El primer que podem fer és observar que les pantalles d’ordinador, fixes o portàtils, emeten llum polaritzada amb una direcció de 45 graus amb l’horitzontal. Així doncs si observem una pantalla amb unes ulleres de sol polaritzades i inclinem el cap 45º veurem que la pantalla es torna negra perquè la direcció del polaritzador és perpendicular a la llum incident provinent de la pantalla.

Una segona part d’aquesta proposta consisteix en observar cel·lo interposat entre la pantalla i el polaritzador. Observem gruixos de cel·lo d’1, 2, 3… capes enganxades sobre un plàstic transparent i… els veiem de colors diferents segons el gruix. Si a més girem el polaritzador 90 graus observarem que els seus colors canvien justament al color complementari en cada cas. això és degut a que la cinta adhesiva és birrefringent, la llum que la travessa es divideix en dos raigs polaritzats perpendicularment i polaritza els dos rajos i la substància té per a cada raig un índex de refracció diferent.

L’explicació del fenomen és una mica complexa: Quan la llum polaritzada blanca (de la pantalla) passa a través de la cinta adhesiva (birefringent) es divideix en dues components (polaritzades perpendicularment) i cadascuna segons un índex de refracció (velocitat) diferent de manera que els dos raigs es desfasen. Aquest desfasament provoca interferències constructives o destructives segons el gruix de la làmina i la longitud d’ona de cada color de la llum. Si girem 90 graus el polaritzador aleshores el color anul·lat per interferència destructiva (oposició de fase) passa a tenir una interferència constructiva, els colors resultants solen ser els complementaris. Bé, una explicació per a pensar-hi una estona en una nit d’insomni!

Arc de Sant Martí: ara el veig… ara no el veig

Tothom ha gaudit alguna vegada de la visió de l’Arc de Sant Martí i si som una mica “frikis” de la ciència haurem observat alguns detalls interessants:

  • Sempre l’observarem quan estem d’esquena al Sol i està plovent davant nostre, això es degut al fet que es forma per una doble refracció però sobretot per la reflexió (limit) que té lloc dins les gotes d’aigua (tal com es pot veure a la imatge).
  • A la part interior de l’arc sempre observarem el color violat i a l’exterior el vermell.
  • Quan la lluminositat és molt alta (i el fons sobre el que l’observem és bastant fosc) podem observar un doble arc sempre menys lluminós que el principal. La seqüència dels colors d’aquest segon arc és inversa a la del principal.
  • L’angle d’observació sempre és de 42º respecte la recta que uneix el Sol amb nosaltres. Per això si aconseguim observar-lo des d’una alçada considerable podem veure un Arc de Sant Martí completament circular (visió clàssica des d’un avió).lpath

Però en aquesta experiència podeu observar un fenomen que possiblement no heu descobert: la llum de l’Arc de Sant Martí és polaritzada!

Així doncs si l’observem amb unes ulleres de sol polaritzades, el podrem veure o no en funció de si posem les ulleres verticals o horitzontals, és a dir, girant el cap d’un costat a l’altre veurem com l’arc apareix i desapareix. En el vídeo s’observa clarament aquest fenomen en un Arc de Sant Martí casolà fet amb un raig d’aigua polvoritzat a la sortida d’una mànega de jardí.

Aquesta polarització es deguda a la reflexió de la llum dins les gotes d’aigua: sempre que la llum es reflecteix en qualsevol superfície no metàl·lica (vidre, plàstic, aigua…) el raig reflectit surt polaritzat i aquest efecte és màxim quan l’angle d’incidència és l’anomenat angle de Brewster (la polarització per reflexió és màxima quan la tangent de l’angle d’incidència és igual a l’índex de refracció de la substància).