Corona por Gafas Empañada

Cuando la luz de una fuente puntual pasa a través de una abertura circular pequeña, no produce como imagen un punto brillante, sino más bien un disco difuso circular conocido como disco de Airy, rodeado de anillos circulares concéntricos mucho más tenues. Este ejemplo de la difracción es de gran importancia, porque tanto el ojo humano como muchos instrumentos ópticos, tienen aberturas circulares. La difracción también ocurre en la situación inversa, cuando se tiene un pequeño círculo opaco. La corona que algunas veces se ve alrededor de la Luna, se atribuye a la difracción de pequeñas gotas de agua o cristales de hielo.

La imágen que se ve arriba, corresponde al mismo fenómeno que observé, cuando mis gafas se empañaron al entrar en casa después de pasear al perro una fría mañana de Enero. Se atribuye a la difracción de diminutas gotas de agua que se condensan en el aire bastante seco de la habitación. Este patrón de difracción se podría usar para calcular el tamaño de las gotas de agua condensada, pero las dos imágenes de abajo muestran colores diferentes para la parte interior del patrón de difracción, y esa diferencia de colores parecen son debidas a diferentes órdenes del patrón de color.

Las dos imágenes de arriba fueron tomadas en cuestión de segundos, cada una corresponde a diferentes áreas en las gafas empañadas, probablemente dentro de un centímetro de separación. Los diferentes patrones de color se tomaron como evidencia de los diferentes tamaños de las gotas, aunque no está claro que orden de difracción se está manifestando.

Otra fase del experimento de gafas empañadas se vió facilitado por el hecho de que mi esposa tenía una buena olla de sopa de frijoles hirviendo en un calentador de cocina, en aquella fría mañana. Otro paseo por el frío barrio y luego poner las gafas encima de la olla hirviendo, produjo una niebla que no mostraba los anillos de difracción de colores. Es de suponer que el aire caliente saturado de la sopa formó gotas más grandes, que no mostraban anillos de difracción visibles -cuanta mayor abertura, menor patrón de difracción-. La luz dispersada en la imagen arriba a la izquierda, muestra una disminución simétrica de la intensidad a medida que se aleja de la luz. Podría ser adecuadamente descrito como dispersión de Mie. Arriba a la derecha, hay una imagen tomada una vez que la niebla de mis gafas tuvo tiempo de evaporarse parcialmente. En ella hay pruebas de difracción, por la ligera modulación de la intensidad cerca de las luces. Esto se toma como evidencia de que el proceso de evaporación, iba dejando gotas mas pequeñas que empezaban a producir efectos de difracción visibles.

Corona por Gafas Empañadas: Estimación Tamaño de Gotas

Se puede realizar una estimación del tamaño de las gotas a partir de la difracción por abertura formada por las gotas de niebla en unas gafas fría. Se supone que las franjas de color son por la difracción de gotas, como las que a veces se ve como una corona alrededor de la Luna. Los cristales se colocaron a 3,66 m (12 pies) y la extensión horizontal de las luces fue de 0,6 m (2 pies). El espacio entre las luces representa un ángulo de 9,5°. La imagen en su escala dió un ángulo de 3,7° desde la franja roja.

Para una primera estimación, supongamos una longitud de onda de 600 nm para la franja roja y que ésta representa el máximo del primer adicional de la difracción de abertura. Usando el cálculo de abertura con 3,7º para el primer máximo, da un diámetro de abertura circular de 15 micras. Si esto representa el diámetro de las gotas niebla, entonces tenemos una medida de 15 micras para el tamaño de las gotas.

Hay muchas razones a tener en cuenta sobre la certeza de que la estimación anterior represente una medición real del tamaño de las gotas. Una de ellas se ilustra en las dos imágenes de arriba. Dos imágenes tomadas en cuestión de segundos el uno del otro y muy próximos entre sí espacialmente, muestran diferentes patrones de difracción. El de la izquierda tiene una franja roja alrededor de la mitad, igual que la utilizada en la estimación anterior, lo que daría un tamaño de gota de 30 micras. Aunque pueda ser razonable, no se puede estar seguro de que el que está dando el color de la franja, sea el primer máximo secundario. Si la franja roja en la primera estimación anterior fuera el segundo máximo secundario, el tamaño estimado sería de 25 micras y si se tratara del tercer, la estimación sería de 34 micras.

Otra razón para la cautela sobre la certeza del tamaño de las partículas, es que la difracción está ocurriendo alrededor de una gota la cual, es parcialmente transparente. El patrón de difracción no es en realidad el mismo que se espera de una barrera opaca circular. Las experiencias con la estimación del diámetro del cabello humano mediante la medición de su difracción, ha llevado a esta cautela sobre la seguridad en la medida del tamaño por medio de la difracción.

Un fenómeno similar también atribuido a la difracción de abertura por pequeñas partículas, es el conjunto de franjas de colores que a veces se puede ver alrededor de una fuente de luz brillante como una bombilla. Este efecto de corona, se atribuye a pequeñas partículas en la superficie del ojo. Mi observación personal de este efecto es por lo general por la mañana temprano. El acto de parpadear, cambia la intensidad de las franjas y desaparecen después de unos minutos de parpadeo, lo que sugiere que se trata de un fenómeno de superficie. Localizando el centro de un anillo rojo prominente, se midió un conjunto de franjas de colores. La distancia del centro del anillo respecto de la luz que estaba mirando fué de 15 cm. La distancia a la luz fue de 2,44 metros. El color rojo parecía ser de una tonalidad similar a la de un láser de helio-neón, por lo que se estimó una longitud de onda de 630 nm. Suponiendo que el anillo rojo destacado fue el máximo del primer secundario de la difracción de abertura, da un tamaño de abertura calculada de unos 16 micrómetros. Esta estimación está sujeta sin duda, a las incertidumbres descritas anteriormente en relación con las gotas de niebla.

Meyer-Arendt en la sección 3.5 del Introductory Classical and Modern Optics, 3ª Ed. informa de su medida personal y llega a un diámetro particular de 12,4 micrómetros. Él sugiere que el efecto podría ser provocado por las células del epitelio de la córnea.