MONTAJE EXPERIMENTAL DE DIFUSION DE LIQUIDOS

Análisis de un gradiente de índice de refracción y estudio de la difusión
entre líquidos
Pablo Pérez y Tomás E. Tecce
Laboratorio 4, Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos
Aires.
En esta experiencia se hace incidir un haz de luz láser sobre una zona en la cual dos líquidos de diferentes
índices de refracción se mezclan por difusión. Este proceso demezcla genera una variación espacial y
temporal de la concentración, la cual produce un gradiente de índice de refracción que hace que el haz de luz
siga una trayectoria curva. Midiendo esta refracción dependiente de la posición y el tiempo, puede
determinarse el valor de la difusividad de las partículas de soluto.

I. Introducción
Un haz de luz puede ser desviado
utilizando un prisma, queconsiste en un trozo de
material de ancho variable con índice de refracción
constante. Pero ésta no es la única forma de hacerlo;
también puede lograrse usando un material de ancho
constante, con un gradiente de índice de refracción a
lo largo del mismo. Ejemplos de este hecho son la
formación de espejismos sobre superficies calientes
(la arena del desierto o el asfalto de una ruta, por
ejemplo) y las"ondas de calor" que se ven sobre una
estufa o una fogata. En estos casos es la variación de
temperatura del aire la que produce variaciones en el
índice de refracción; el enfoque de un haz de luz por
un gradiente de temperaturas en un medio ha sido
estudiado por Green1.
En nuestra experiencia, sin embargo, el
gradiente de índice de refracción se produce por
variación de la concentración de solutoen un
sistema formado por dos líquidos -agua y una
solución acuosa- en proceso de mezcla por difusión.
La variación de la concentración en el espacio y el
tiempo debida a la difusión genera variaciones de
índice de refracción. Existen varias técnicas para el
estudio de la difusión entre líquidos: por ejemplo,
una que utiliza interferometría holográfica2 y otra
que estudia el movimiento deflotadores inmersos en
el líquido3. Este trabajo se basa en el experimento
propuesto por Gaffney y Chau4 a partir de un trabajo
de Barnard y Ahlborn5, y tiene como ventaja la
relativa sencillez del aparato experimental.
El estudio de la difusión de un soluto a
través de una interfase entre una capa de agua y una
de solución acuosa tiene especial interés en el
estudio de la dinámica de los estuarios. Alser el agua
del río que desemboca en el mar menos densa que el
agua salada, se forma una discontinuidad en la
densidad en función de la profundidad, que se
denomina haloclina. En cuanto a aplicaciones
prácticas de los índices de refracción variables,
existen compañías que comercializan lentes de
ancho uniforme que funcionan con este principio
(llamadas lentes GRIN, por GRadient INdex)6, y se
hanusado celdas llenas de líquido de índice de

refracción variable similares a las utilizadas en esta
experiencia para estudiar el comportamiento de
sensores de fibra óptica7.

II. Descripción del dispositivo
experimental
Para realizar las mediciones fue necesario
construir un dispositivo que permitiese hacer pasar
un haz láser por una solución con un gradiente de
concentración perpendicular a laincidencia del haz.
A continuación pasamos a describir este dispositivo,
que puede verse en la figura 1. En la parte central
colocamos un recipiente con forma de prisma de
base rectangular y caras transparentes y delgadas, de
acrílico, de 9 x 6,5 x 15 cm, y en su interior
colocamos los líquidos. Hicimos incidir el haz de un
láser He-Ne sobre una varilla cilíndrica de cristal
transparente que abría elhaz en un plano en forma de
abanico. Dicha varilla, que jugaba el papel de lente
cilíndrica, fue colocada a 45° respecto del suelo de
forma que el haz con forma de abanico plano
incidiera sobre el recipiente con ese mismo ángulo.
El haz atravesaba el recipiente de lado a lado, sufría
una deflexión y terminaba incidiendo sobre una
pantalla milimetrada en la que se hicieron marcas de
referencia. La...