Tema 8Naturaleza de la luz.

1. Naturaleza de la luz

La Óptica es una de las ramas más antiguas de la física que comienza cuando el hombre trata de explicar el fenómeno de la visión.

- La escuela atomista sostenía que la visión se produce porque los objetos emiten imágenes que salen de ellos y van al alma de la persona que los ve a través de sus ojos.

- La escuela pitagórica decía que la visión se produce por un fuego invisible emitido por los ojos que toca los objetos y los explora.

- Euclides (hacia el año 300 a.C.) expone conceptos acerca del rayo luminoso, la trayectoria que sigue la luz en su propagación o el fenómeno de la reflexión. Expone que el rayo luminoso es rectilíneo y lo emite el ojo humano, y afirma correctamente que el ángulo de incidencia es igual al de la reflexión.Indicaba que la luz estaba formada por un chorro de partículas emitidas por una fuente luminosa: Los demás cuerpos se veían debido a que reflejaban algunos de los corpúsculos que los golpeaban y que al llegar estas partículas al ojo producían la sensación de ver.

- Herón de Alejandría (en el siglo I) estudia los espejos y afirma que el rayo luminoso siempre sigue el camino más corto.

- Pt olome o (en el siglo II) realiza medidas precisas sobre el ángulo de refracción para el agua y el vidrio pero no descubre la ley de la refracción.

- El médico árabe Alhazen (905-1039) afirma la idea correcta de que la luz llega a los objetos procedente de los cuerpos luminosos, los ilumina y de estos va a los ojos. De forma errónea dice que la imagen se forma en el cristalino (la lente del ojo) al desconocer el papel de la retina.

Las primeras hipótesis científicas acerca de la luz surgieron casi simultáneamente en el siglo XVII. Fueron propuestas por Isaac Newton y por Christian Huygens. Las dos hipótesis son contradictorias entre sí y se llamaron teoría corpuscular de Newton y teoría ondulatoria de Huygens .

1.1. Teoría corpuscular de Newton

Supone que la luz está formada por partículas materiales, que llamó corpúsculos que son lanzados gran velocidad por los cuerpos emisores de luz. Permite explicar fenómenos como:

- La propagación rectilínea de la luz en el medio, ya que los focos luminosos emitirían minúsculas partículas que se propagan en todas direcciones y que al chocar con nuestros ojos, producen la sensación luminosa.

- La reflexión y la refracción.

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Newton supuso que los corpúsculos eran muy pequeños en comparación con la materia y que se propagan sin rozamiento por el medio.

Teniendo en cuenta esto, los corpúsculos chocaban elásticamente contra la superficie de separación entre dos medios. Como la diferencia de masas es muy grande los corpúsculos rebotaban, de modo que la componente horizontal de la cantidad de movimiento px se mantiene constante mientras que la componente normal py cambia de sentido. Se cumplía la ley de la reflexión, el ángulo de incidencia y de reflexión eran iguales.

En la refracción, al pasar la luz de propagarse por aire a hacerlo por agua, los corpúsculos atraídos, por el agua, eran acelerados al entrar en ella. Por tanto py aumentaba y los corpúsculos variaban su dirección de propagación acercándose a la normal. Según esto, la velocidad de propagación de la luz en agua es mayor que en el aire. ( como ya hemos visto por Huygens, ocurre lo contrario, si v’ disminuye se acerca a la normal). Esto podía permitir distinguir una y otra teoría.

1.2. Teoría ondulatoria de Huygens

Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria del medio. Creía que eran ondas longitudinales similares a las sonoras. Se sabía que la luz puede propagarse en el vacío. Se inventa un medio muy sutil y de perfecta elasticidad que permita dicha propagación. Se le llama éter.

Explicaba fácilmente fenómenos como reflexión y la refracción.

Contra esta teoría se argumentaba que si era una onda debía haber fenómenos de difracción e interferencia que no se habían encontrado porque su longitud de onda es muy pequeña y que el resto lo explicaba la teoría corpuscular.

La teoría corpuscular gozó de mayor aceptación, fundamentalmente por ser apoyada por Newton, aunque en el siglo XIX acabaría imponiéndose la ondulatoria

Diferencias

Los partidarios de la ley de Newton decían que Huygens había inventado una sustancia hipotética, el éter. Además no sería posible la formación de sombras nítidas, ya que si la luz se asemeja al sonido debería doblar las esquinas (A una persona se la oye aunque no se la vea)

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Por ultimo también consideraba que los diferentes colores que formaban la luz blanca se deben a diferentes tipos de corpúsculos, cada uno responsable de un color.

Con esta teoría no podían abordarse fenómenos como la difracción de la luz.

Huygens dudaba de las partículas que formaban cada uno de los colores de la luz del Sol. No consideraba un gran problema la propagación rectilínea y ponía el siguiente ejemplo: Una embarcación pequeña no es un gran obstáculo para las grandes olas del mar pero un gran barco si detiene un pequeño oleaje produciendo zonas de sombras. Solo había que idear obstáculos suficientemente pequeños similares a la longitud de onda de la luz.

1.3. Teoría ondulatoria de Fresnel

En el siglo XVIII, Thomas Young descubre experimentalmente, como veremos más tarde, la existencia de interferencias en la luz y Fresnel consigue explicar apoyándose en la teoría ondulatoria la difracción de la luz y su propagación rectilínea: Fresnel propone a la vista de estos descubrimientos que la luz está constituida por ondas transversales.

En 1850, Foucault mide la velocidad de la luz en el agua, y comprueba que es menor que en el aire, y por tanto, va en contra de la teoría corpuscular de Newton que es a partir de entonces rechazada.

1.4. Teoría electromagnética de Maxwell

En 1864 Maxwell establece la teoría electromagnética de la luz. Propone que la luz no es una onda mecánica sino una onda electromagnética de alta frecuencia. Las ondas electromagnéticas consisten en la propagación de un campo eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Años después Hertz, realiza una serie de experimentos en los que verifica la existencia de ondas electromagnéticas y establece como detectarlas. Las ondas luminosas solo se diferencian de las de radio en que su frecuencia, mucho mayor impresiona la retina del ojo. Parecía que se había aclarado la naturaleza de la luz

1.5 Naturaleza dual de la luz

Los experimentos de Hertz también pusieron de manifiesto un curioso fenómeno: el efecto fotoeléctrico, que consiste en la emisión de electrones con cierta energía cinética al incidir la luz de una determinada frecuencia sobre una superficie metálica. Se comprobó que un aumento de la intensidad luminosa incidente no suponía un aumento en la energía cinética de los electrones emitidos. La teoría ondulatoria no podía explicar esto.

Einstein explica esto basándose en la hipótesis cuántica de Planck (en resumen, venía a decir, que la energía de un oscilador atómico no puede ser cualquiera sino solo unos valores determinados, ya lo veremos...) Einstein propone en 1905 que la luz está formada por un haz de pequeños corpúsculos que llamó cuantos de energía o fotones. La energía de la onda está concentrada en los fotones, no está distribuida por toda ella). Resucita así una especial teoría corpuscular. Rechaza la existencia del éter. La luz puede propagarse en el vacío.

E = h·f

h constante de Planck = 6,626 · 10-34 J·s

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En la actualidad se sostiene que la luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria. Se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta fenómenos típicamente ondulatorios, pero en su interacción con la materia en ciertos fenómenos de intercambio de energía tiene carácter corpuscular. Nunca manifiesta las dos condiciones simultáneamente, en un fenómeno concreto o es onda o es corpúsculo.

2. Velocidad de propagación de la luz

Durante mucho tiempo se pensó que la velocidad de la luz era infinita. Galileo supuso que la velocidad de la luz era finita pero muy elevada e intentó medirla con observadores con focos luminosos pero fracaso porque la velocidad de reacción de estos era muy inferior a la de la luz. La velocidad de la luz fue calculada por primera vez por Olaf Römer (1675) y posteriormente por Fizeau (1849)

En la actualidad, se ha determinado que el valor para c = 2, 9979·108 m/s, en el aire o vacío. A efectos prácticos c = 3 · 108 m/s.

3. Ondas electromagnéticas

En 1865 Maxwell expone su teoría del campo electromagnético:

Un campo magnético variable con el tiempo induce un campo eléctrico proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético y perpendicular a él.

Un campo eléctrico variable con el tiempo induce un campo magnético proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo eléctrico y perpendicular a él.

Una carga eléctrica que posee un movimiento acelerado crea una perturbación electromagnética

Se define onda electromagnética como la perturbación periódica de los campos eléctrico y magnético asociados, que se propaga por el espacio. Son transversales y no necesitan ningún soporte material para propagarse.

Características:

Son originadas por cargas eléctricas aceleradas.

Consisten en la variación periódica del estado electromagnético del espacio. Un campo eléctrico variable produce un campo magnético variable, este a su vez origina un campo eléctrico y así ambos se propagan en el espacio. E y B son perpendiculares entre sí y con la dirección de propagación (que viene determinada por E x B ) y están en fase.

No necesitan soporte material para propagarse.

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Los vectores E y B varía sinusoidalmente en el tiempo y la posición, con la ecuación de las ondas armónicas:

E=Eo · sen( K·x−ω·t ) B=B0 · sen( K·x−ω·t )

Sabemos que E = v·B. Por tanto en este caso E/B = c.

c puede expresarse como c= 1

√ μ0 · ε0

donde εo = permitividad eléctrica del vacío = 9·10-12 C2/Nm2 μ0 = permeabilidad magnética del vacío = 4л·10-7 Tm/A

Podemos resumir diciendo que las ondas electromagnéticas son ondas transversales que se propagan en el vacío a la velocidad de la luz. Esta velocidad es independiente de la longitud de onda..4. Espectro electromagnético

Llamamos espectro electromagnético a la secuencia de todas las ondas electromagnéticas conocidas, ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia. Como ya sabemos la frecuencia y la longitud de onda se relacionan con la expresión f = c/. El espectro electromagnético se representa normalmente en siete zonas que no presentan límites nítidos.

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4.1 Características de cada una de esas zonas.

Ondas de radio:Son las que tienen la longitud de onda más larga: desde millones de metros hasta unos 30 cm(frecuencia entre 102 y 109 Hz).Tenemos las ondas largas de radio con longitudes de onda del orden de km, las de radio AM (centenas de metro), las de FM y televisión (metros) y las de onda corta (centímetros)

Microondas: Comprenden las longitudes de onda que abarcan desde los 30 cm hasta 1 mm (frecuencias entre 109 y 3 · 1011 Hz). El rango de frecuencias de los microondas coincide con las frecuencias de resonancia de vibración de las moléculas del agua, lo que ha popularizado su empleo en las cocinas (horno microondas) para la cocción de los alimentos, que tienen un alto contenido en agua. También se utilizan en las comunicaciones con vehículos espaciales, debido a su facilidad para penetrar en la atmósfera.

Infrarrojo(IR:)Sus longitudes de onda van desde 1 mm hasta los 10-6 m aproximadamente. (frecuencias entre 3·1011 y 3·1014 Hz).Son emitidas por los cuerpos calientes como las brasas de una chimenea. La mitad de la energía irradiada por el Sol son rayos infrarrojos.

VISIBLE:Es la que podemos captar con nuestros ojos. Es lo que vulgarmente conocemos como luz. Es la región más estrecha del espectro, abarca sólo las longitudes de onda comprendidas entre 10-6 m y 390 nm (frecuencias entre 3·1014 y73·1014 Hz). Se subdivide en los colores del arco iris:

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Rojo 620 a 1000 nmNaranja 590 a 620 nmAmarillo 550 a 590 nm

Verde 490 a 550 nmAzul 430 a 490 nm

Violeta 390 a 430 nm

Ultravioleta (UV):Son radiaciones que se encuentran más allá del violeta. Sus longitudes de onda abarcan desde 390 nm hasta 1nm (frecuencias entre 7·1014 y 3·1017

Hz). Su energía es suficiente para romper enlaces químicos o producir ionizaciones. Es el responsable del tono moreno de nuestra piel al tomar el Sol. Fueron descubiertos por Johann Ritter en 1881.

Rayos X:Tienen longitudes de onda comprendidas entre 1 nm y 10-11 m (frecuencias entre 3·1017 y 3·1019 Hz). El tamaño de estas longitudes de onda es equiparable al de los átomos y a las distancias interatómicas en los sólidos. Son útiles en cristalografía para determinar las disposiciones atómicas en un cristal por el método de difracción de rayos X y también en medicina, en las radiografías. Tienen mucha energía y son peligrosos por lo que las dosis de las radiografías se miden cuidadosamente.

Rayos : Sus longitudes de onda van desde los 10-11 m , hasta valores infinitesimales (frecuencias superiores a 3·1019 Hz). Su frecuencia es elevadísima así como su energía. Son muy peligrosos para cualquier forma de vida. Se ha encontrado utilidad en radioterapia para combatir células cancerosas. Las pequeñas longitudes de onda hacen que la naturaleza corpuscular prevalezca sobre la ondulatoria. Se producen en las reacciones nucleares y sólo son absorbidos por el plomo o el hormigón a partir de cierto grosor.

4. Fenómenos ondulatorios de la luz

Se denomina rayo a la línea que indica la dirección de propagación de la energía radiante. Son siempre perpendiculares a los frentes de onda. Son rectilíneos cuando la propagación tiene lugar en un medio isótropo.

4.1 Reflexión de la luz

Cuando un rayo luminoso incide en la superficie de separación de dos medios distintos parte de la energía luminosa sigue propagándose en el mismo medio (se refleja) y parte pasa a propagarse por el otro medio con una velocidad distinta (se refracta).

Se denomina rayo incidente a aquel que representa la luz que incide sobre la superficie, rayo reflejado al que representa la fracción de energía luminosa reflejada y rayo refractado al que representa la fracción de energía que se propaga por el nuevo medio.

Se puede demostrar experimentalmente que:

El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano llamado plano de incidencia.

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El ángulo de incidencia î y el de reflexión î’ son iguales.

OJO: Cuando un rayo de luz consta de varios rayos e incide sobre una superficie lisa, similar a un espejo, se refleja, como indica la figura, y todos los rayos reflejados son paralelos. La reflexión de la luz desde ese objeto liso se llama especular. Si la superficie reflectora es rugosa, la superficie reflejará los rayos en diferentes direcciones. Se conoce como reflexión difusa. Esto nos permite ver las superficies de objetos que no emiten luz propia y que de otra manera no percibiríamos Una superficie se comportará como una superficie pulida si las variaciones superficiales son pequeñas en comparación con la longitud de onda incidente.

Consideremos los dos tipos de reflexión que pueden observarse desde una superficie de la carretera mientras se conduce un coche en la noche. Cuando está seca y rugosa la luz que proviene de otros vehículos que se aproximan se dispersa fuera de la carretera en diferentes direcciones, haciendo el camino claramente visible. En una noche lluviosa, las irregularidades del camino se llenan de agua, haciendo la superficie pulida. La reflexión resultante es especular y dificulta la visión del camino. En nuestros ejemplos hablaremos siempre de reflexión especular.

4.2 La refracción de la luz:

Se denomina índice de refracción, n, de un medio transparente a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y la velocidad de la luz en el medio, v.Como c > v siempre los índices de refracción siempre son mayores que 1.

n= cv

Cuando la luz pasa de un medio con índice de refacción n1 a otro con índice n2

sufre una desviación en su trayectoria, como sabemos por el principio de Huygens. El rayo refractado se acercará a la normal si la velocidad del segundo medio es menor, mientras que se alejará de la normal si la velocidad del segundo medio es mayor.

Se puede demostrar que: El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano. El ángulo de refracción depende del de incidencia El ángulo de refracción depende de la relación entre los índices de refracción de los

medios.

Conocemos la ley de Snell:

sen { isen { r

¿=n2

n1¿

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OJO: Cuando la luz pasa de un medio a otro la frecuencia no cambia pues tan pronto como llega un frente de onda incidente surge uno refractado. Como v = ·f, si f no varía el cambio en la velocidad debe venir dado por la (longitud de onda).

La magnitud que en realidad determina el color es la frecuencia ya que esta no cambia al pasar de un medio a otro. Esto es fácil de comprobar. Si te bañas con un bañador rojo seguirá siendo rojo debajo del agua.

4.2.1 Ángulo crítico y reflexión total

Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro con menor índice de refracción, se refracta alejándose de la normal. naire=1, nvidrio=1,52. Al incidir con un ángulo mayor, el ángulo de refracción también se hace mayor. Para cierto ángulo de incidencia llamado ángulo límite o ángulo crítico el ángulo de refracción vale 90º.

Para ángulo de incidencia mayores, la luz se refleja totalmente. Es el fenómeno de la reflexión total. Recuerda, si v1<v2 el rayo se aleja de la normal

El ángulo crítico o límite es aquel ángulo de incidencia al que corresponde un ángulo de refracción de 90º

n1 · sen { i lim=n2 · sen900→ i lim=arcsenn2

n1¿

Aplicación: La reflexión total es un fenómeno que se aprovecha para la conducción del rayo luminoso en los filamentos de vidrio o de plástico transparente que constituyen la fibra óptica (el filamento interior o núcleo de la fibra está recubierto por una sustancia de índice de refracción menor que la del revestimiento, lo que hace posible la reflexión total). El rayo de luz, que entra por un extremo sufre la reflexión total en la pared interior del filamento, una y otra vez desde que entra por un extremo hasta que sale por el otro.

Cuestión: ¿Por qué puede verse mojada la carretera al mirar al horizonte?Cuando hace calor, la temperatura del asfalto es bastante más elevada que la del aire. Si consideramos que el aire está dividido en capas, las cercanas al suelo tendrán una temperatura más elevada. Por tanto el aire es menos denso y su índice de refracción va

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v1

v2=

n2

n1⇒

n2

n1=

ƛ1ƛ2

disminuyendo a medida que nos acercamos al suelo. Los rayos van sufriendo desviaciones que lo alejan de la normal y pueden llegar a curvar su trayectoria. Al observar este fenómeno desde una posición casi rasante los rayos refractados parecen provenir de una imagen especular pero en realidad es una refracción. Este es el mismo fenómeno que en los espejismos. Los rayos de luz son refractados al entrar en contacto con el tórrido suelo y lo que se está viendo es una proyección del cielo y no una laguna con agua. Podemos ver los objetos invertidos por la tendencia de nuestro ojo a pensar que la luz va en línea recta

Ejemplo: Paso de la luz a través de una lámina de caras planas y paralelas

Supongamos un haz de luz que incide oblicuamente sobre una plancha de metacrilato de cierto grosor, de caras planas y paralelas. Calculemos el desplazamiento que sufre el haz al salir de la lámina. Se producen dos refracciones, una al entrar en la lámina y otra al salir de ella.

El rayo emergente tiene la misma dirección que el incidente, pero está desplazado una distancia d, respecto a él.

d= AB · sen ( i−r )AB·cos { r=e

¿ d=e sen ( i−r )cos { r

¿ ¿¿

4.4 Interferencia de la luz

El descubrimiento de este fenómeno junto con el de la difracción, aclararon la naturaleza ondulatoria de la luz al propagarse.Thomas Young demostró en 1801 que el fenómeno de las interferencias se producía también en la luz. Para ello debía cumplirse la condición de coherencia:“Para que se produzca interferencia observable entre dos focos distintos, estos deben ser coherentes, es decir, deben tener la misma longitud de onda y una diferencia de fase constante”.

Esta condición de coherencia explica la dificultad que entrañaba observar interferencias luminosas. En general, las luces de dos focos distintos producidas por las emisiones aleatorias y desacompasadas de los átomos nunca serán coherentes. Por esta

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razón es imposible observar patrones de interferencia correspondientes a los dos focos de un coche, ya que no cumplen la condición de coherencia.

Experimento de Young de la doble rendija

Young hizo pasar la luz procedente de un único foco luminoso por dos rendijas estrechas (de grosor muy pequeño en comparación con la longitud de onda), separadas entre sí una distancia a. Consiguió dos focos coherentes, ya que la luz provenía de un único foco real. Observó así un patrón de franjas claras y oscuras alternadas, es decir un patrón de interferencias.

Decíamos que una interferencia es constructiva cuando las ondas están en fase (diferencia de 0, 2л, 4л...Δδ=2nπ ). En este caso la amplitud resultante es la suma de las amplitudes de las ondas y su intensidad, proporcional al cuadrado de la amplitud, es máxima. Se observa una intensificación de las ondas. Una interferencia es destructiva si las ondas están en oposición de fase(diferencia de л o múltiplo impar de л). La amplitud de fase es la diferencia de las amplitudes de las ondas y la intensidad es mínima. Se observa debilitación o anulación de las ondas.

4.5 Difracción de la luz

Si se interpone en el camino de la luz un obstáculo y se examina la sombra, su contorno no es perfectamente nítido. Se aprecian franjas claras y oscuras que contradicen el principio de propagación rectilínea de la luz. Este fenómeno se conoce como difracción. Las ondas luminosas rodean los obstáculos y llegan a untos situados detrás de ellos y ocultos al foco.

La difracción es básicamente un fenómeno de interferencia.

Supongamos un haz de rayos paralelos de luz que atraviesan una estrecha rendija paralela al frente de onda incidente. En la pantalla debería aparecer una zona iluminada semejante a la rendija. Sin embargo aparece una ancha franja central brillante y a los lados otras franjas más estrechas y no tan brillantes y alternadas con franjas oscuras.

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Esto puede interpretarse a partir del principio de Huygens: cada punto de la rendija se convierte en emisor de ondas elementales en fase que interfieren entre sí. De aquí la semejanza entre los fenómenos de interferencia y difracción.

4.6 Polarización de la luz

La polarización es una propiedad exclusiva de las ondas transversales consistente en la vibración del campo eléctrico y del magnético en una dirección preferente sobre las demás.

En general, las ondas electromagnéticas no están polarizadas, lo que quiere decir que el campo magnético y el campo eléctrico pueden vibrar en cualquiera de las infinitas direcciones que son perpendiculares a la dirección de propagación de las ondas. Se produce el fenómeno de la polarización cuando se consigue que la vibración de las ondas se realice en una dirección determinada.

Polarización por absorción selectiva

En 1938, el inventor americano Land descubrió un material formado por finas láminas que contienen moléculas de hidrocarburos alineadas en largas cadenas. Se llamó polaroide o polarizador. Cuando el campo eléctrico de la luz tiene la dirección de estas moléculas se generan corrientes de electrones libres a lo largo de ella y la luz es absorbida. Si la luz del campo eléctrico oscila en la dirección perpendicular a la alineación de las moléculas no sufre apenas variación y atraviesa el filtro. A esta dirección se le denomina eje de transmisión del filtro.

Nota. Gafas de sol polaroid: La luz solar que se refleja sobre superficies lisas como la nieve, el agua o el asfalto y que provoca un deslumbramiento muy molesto a la vista está polarizada horizontalmente. Las gafas polaroid contienen sucesiones de cristales microscópicos alineados que son capaces de absorber esta luz polarizada horizontalmente evitando el deslumbramiento asociado a la luz reflejada.

Polarización por reflexión

En 1808 el francés Malus descubrió que si la luz natural incide sobre una superficie pulimentada de vidrio, la luz reflejada está total o parcialmente polarizada, dependiendo del ángulo de incidencia.

En 1812, el escocés Brewster descubrió que la polarización es total para un ángulo de incidencia tal que el rayo reflejado y el refractado formen un ángulo de 90º. A este ángulo se le llama ángulo de polarización o de Brewster.

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5. Dispersión de la luz

En 1666, Newton observó que cuando se hacía pasar un rayo de luz solar a través de un prisma triangular de vidrio, aquel se descomponía en un conjunto de valores que denominamos espectro de la luz blanca. De esta manera demostró que la luz solar (luz blanca) es una composición de ondas de distinta frecuencia. El efecto que provocan en la retina las distintas frecuencias originan la sensación de color.

Sabemos que el índice de refracción de una sustancia disminuye con la longitud de onda incidente. Por tanto si un haz de luz de distintas longitudes de onda incide sobre un material refractante cada radiación se desviará con un ángulo diferente. A esto se le llama dispersión de la luz.Llamaremos dispersión de la luz a la separación de un rayo de luz en sus componentes monocromáticas debido a su diferente índice de refracción. . La mayor desviación la sufre la luz violeta y la menor la luz roja.

Al espectro de la luz blanca se le llama espectro visible, porque es la parte del espectro electromagnético que percibe el ojo humano.

OJO: EL ARCO IRIS: Se forma por la dispersión de luz solar debida a la refracción de esta dentro de las gotas de agua suspendidas en el aire tras la lluvia. Para poder observarlo es necesario tener el Sol a nuestras espaldas.

6. Absorción selectiva. El color

Cuando la luz llega a un material obliga a los electrones de los átomos a oscilar. Las frecuencias naturales de los electrones dependen de la naturaleza de los distintos átomos; hay átomos cuyos electrones están más ligados y otros en los que por el contrario están más libres.

Al incidir la luz sobre un material, los electrones de sus átomos empiezan a oscilar. Están en “estado excitado”. En este estado solo pueden estar nanosegundos. Pueden ocurrir dos cosas: que transfieran su energía por colisiones con átomos vecinos o que la reemitan en forma de fotón y vuelva a su estado original. Parte de la energía incidente se transforma en interna por las colisiones de unos átomos con otros y parte vuelve a ser emitida, con lo que la energía reemitida que emerge siempre será menor que la incidente. Este fenómeno se conoce como absorción.

Si la frecuencia con la que llega la luz coincide o se aproxima a la frecuencia natural de los electrones en sus átomos las oscilaciones se amplifican y perduran,

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aumentado la probabilidad de que dichos átomos transfieran por colisiones la energía recibida de los átomos vecinos. Al energía interna se transforma en su mayor parte en energía interna y muy poca se reemite. El material es opaco a esa radiación. Por ejemplo, en el caso del vidrio de las ventanas, sus frecuencias naturales de oscilación coinciden con las radiaciones ultravioletas, por tanto es inútil intentar ponerse moreno detrás de una ventana cerrada.

Las frecuencias correspondientes al espectro visible no producen resonancia en los electrones del vidrio, de modo que la reemisión predomina sobre la absorción. Los átomos excitados vuelven a su estado fundamental reemitiendo luz de la misma frecuencia que los llevó al estado de excitación. La luz que emerge tiene las mismas frecuencias que la luz incidente. El material es transparente a esas radiaciones. La luz se propaga por el medio a menor velocidad, dando explicación a la refracción.

Los colores de las cosas

Los mecanismos de observación del color pueden ser de dos tipos: por reflexión (materiales opacos) y por transmisión (materiales transparentes).

Cuando un material iluminado con luz blanca presenta un determinado color es porque ha absorbido todas las demás radiaciones, salvo la correspondiente a ese color, que, o bien es reflejada, si el material es opaco, o transmitida por el material hasta aparecer por el lado opuesto, si es transparente. A este proceso se le llama absorción selectiva.

Si un material refleja todas las radiaciones del espectro visible será percibido como blanco, mientras que si las absorbe todas se verá negro.

Pero esto no es tan sencillo. Debemos tener en cuenta lo que se llama mezcal aditiva de los colores de la luz. La luz blanca surge de combinar la luz roja, la azul y la verde.

Un material que solo absorba el azul, reflejar el rojo y el verde, es decir, el amarillo. Si cogemos un papel celofán amarillo, absorberá el azul y dejará pasar el rojo y el verde. Si observamos un objeto azul lo veremos negro ya que el objeto absorbe todos los colores menos el azul, pero azul ya no le llega, porque ha sido absorbido por el cielo.

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