física de la luz
TEORÍAS DE LA LUZ
Las teorías propuestas por los científicos para explicar la naturaleza de la luz han ido cambiando a lo largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas evidencias que permiten interpretar su comportamiento, como corpúsculo, onda, radiación electromagnética, cuanto o como la mecánica cuántica.
Teoría Corpuscular
Esta teoría fue planteada en el siglo xvii por el físico inglés Isaac Newton, quien señalaba que la luz consistía en un flujo de pequeñisimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes luminosas, que se movía en línea recta con gra rapidez. Gracias a esto, eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes, lo que nos permitía ver a través de ellos. En cambio, en los cuerpos opcaos, los cospúsculos rebotaban, por lo cual no podíamos observar los que había detrás de ellos.
Esta teoría explicaba con éxito la propagación rectilínea de la luz, la refracción y la reflexión, pero no los anillos de Newton, las interferencias y la difracción. Además, experiencias realizadas posteriormente permitieron demostrar que esta teoría no aclaraba en su totalidad la naturaleza de la luz
Teoría Ondulatoria
Fue el científico holandes Christian Huygens, contemporáneo de Newton, quien elaboraría una teoría diferente para explicar la naturaleza y el comportamiento de la luz. Esta teoría postula que la luz emitida por una fuente estaba formada por ondas, que correspondían al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter. Además, índica que la rapidez de la luz disminuye al penetrar al agua. Con ello, explica y descrbía la refracción y las leyes de la reflexión.
En sus inicios, esta teoría no fue considerada debido al prestigio de Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta: se le sometió a pruebas a través de los trabajos del médico inglés Thomas Young, sobre las interferencias luminosas, y el físico francés Augeste Jean Fresnel, sobre la difracción. Como consecuencia, quedó de manifiesto que su poder explicativo era mayor que el de la teoría corpuscular.
Teoría Electromagnética
En el siglo XIX, se agregan a las teoráis existentes de la época las ideas del físico James Clerk Maxwell, quien explica notablemente que los fenómenos eléctricos están relacionados con los fenómenos magnéticos. Al respecto, señala que cada variación en el campo eléctrico origina un cambio en la proximidad del campo magnético e, inversamente. Por lo tanto, la luz es una onda electromagnética trasversal que se propaga perpendicular entre sí. Este hecho permitió descartar que existiera un medio de propagación insustancial e invisible, el éter, lo que fue comprobado por el experimento de Michelson y Morley.
Sin embargo esta teoría deja sin explicación fenómenos relacionados con el comportamiento de la luz en cuanto a la absorción y la emisión: el efecto fotoeléctrico y la emisión de luz por cuerpos incandesentes. Lo anterior da pie a la aparición de nuevas explicaciones sobre la naturaleza de la luz.
La luz es una radiación electromagnética (del mismo tipo que las que a veces nos hacen mucho daño). El espectro electromagnético incluye desde los rayos gamma hasta las ondas de radio.
El espectro visibles constituye una pequeña parte del espectro y estos son sus colores:
La luz visible está formada por vibraciones electromagnéticas con longitudes de onda que van aproximadamente de 350 a 750 nanómetros (1 nm=1 milmillonésimas de metro). Lo que conocemos como luz blanca es la suma de todas las ondas comprendidas entre esas longitudes de onda, cuando sus intensidades son semejantes.
La luz se forma por saltos de los electrones en los orbitales de los átomos. Como sabes, los electrones poseen la extraña cualidad de moverse en determinados orbitales sin consumir energía, pero cuando caen a un orbital inferior de menor energía (más próximo al núcleo) emiten energía en forma de radiación. Algunos de esos saltos producen radiación visible que llamamos luz, radiación que ven nuestros ojos en su manifestación de color.
En un mol de materia (por ejemplo en 23 gramos de sodio) tenemos 6,023·10 23 átomos, con muchos electrones girando. Si millones de estos electrones externos caen de nivel, se emite radiación suficiente para ser vista. Cada elemento químico emite luz de determinados colores, su espectro, porque los electrones saltan en todos lo átomos de ese elemento entre los mismos niveles permitidos.
La frecuencia de la luz emitida depende de la diferencia de energía de los niveles entre los que salta el electrón:
Es- Ei =hn
La longitud de onda es l y es la inversa de la frecuencia:
l=1/ n
La cantidad de radiación que emite un cuerpo depende de su temperatura.
Los cuerpos sólidos emiten prácticamenete todo tipo de radiaciones -todo el espectro- ya que al tener átomos y enlaces muy diversos los tránsitos energéticos permitidos son muy variados. Al aumentar la temperatura el máximo de la intensidad radiada se produce a menores longitudes de onda.
Todos emitimos radiaciones. Los animales de sangre caliente emiten en el infrarrojo.
La piel detecta otras radiaciones de mayor longitud de onda que la luz: las radiaciones caloríficas.
En el sol hay cantidades enormes de átomos de elementos muy diversos que emiten radiaciónes y el conjunto total de esas radiaciones produce la luz blanca.
Una buena página sobre la emisión de radiación es Física 2000. Está en español. Te recomiendo ir a ella para saber más sobre emisión de radiación.
En la Tierra tambien producimos luz pero el mecanismo interno de producción siempre es el mismo: los saltos de los electrones entre los diferentes niveles de energía (orbitales).
La luz se mueve en el vacío aproximadamente a 300.000 km/s, y mientras no interactúa con la materia y llega a nuetros ojos no la vemos. El espacio está lleno de luz y sin embargo lo vemos oscuro.
Cuando una radiación luminosa incide sobre un cuerpo parte de la luz se refleja, parte se transmite a través de él y el resto, correspondiente a determinadas longitudes de ondas, es absorbida por el cuerpo.
Dentro de las sustancias transparentes la luz va a menor velocidad que en el vacío y una parte de ella siempre es absorbida debido a su interacción con los electrones de la materia. Podemos ver la luz difundida por la superficie (luz reflejada) o la transmitida por el cuerpo si es traslúcido. Al interactuar la luz con la materia es cuando se produce el color.
Al conjunto de radiaciones que tienen frecuencias muy próximas le damos el nombre correspondiente al color con que el ojo humano las identifica. Así, a las radiaciones agrupadas en torno a los 600 nm se las denomina color amarillo. Las que rondan el extremo del visible, próximas a 350nm, son las violeta etc. Más pequeñas, y ya no visibles por el ojo, son las ultravioleta que ya no son colores, son sólo radiación.
El color que emite la superficie de las sustancias coloreadas (lo que vemos) se llama color superficial. Parte de la radiación se refleja y parte es absorbida por el cuerpo. Si el cuerpo es una lámina fina puede que la radiación lo atraviese. Así una laminilla de oro se ve amarilla por la luz que refleja (rojo, anaranjado, amarillo) y al trasluz se ve azul-verdoso porque transmite el resto del espectro. Los componentes que se absorben por los cuerpos producen los colores de las mezclas sustractivas.
Una pantalla blanca refleja todas las radiaciones. Podemos ver sobre ella la mezcla de colores aditivos si separamos parte de la radiación antes de que llegue y dejamos que el resto se mezcle. Esto es lo que llamamos mezcla aditiva.
El color de un cuerpo depende de
- la naturaleza de su superficie
- del tipo de luz que lo ilumina
Un objeto sólo se ve con su propio color si se ilumina con luz blanca o con luz de su mismo color.
Los aspectos del color superficial son:
Matiz o tonalidad.- Se refiere al nombre del color, al tipo de longitud de onda de la radiación. Como no es una radiación concreta ( un color es un conjunto de radiaciones próximas) no es un valor cuantitativo y se da (cualitativamente) por descripción, matiz verde, rojo, púrpura, etc. según la longitud de onda dominante. Al existir un matiz tienen que existir también brillo y saturación.
Brillo.- Es la intensidad subjetiva con la que vemos el color (captación de la intensidad luminosa reflejada). Depende del ángulo con que miremos la superficie. La luz blanca no tiene matiz (no tiene color), pero tiene brillo.
Saturación.- Es la pureza del color. Dentro de un mismo color rojo podemos distinguir entre un rojo pálido o un rojo fuerte según su distinta saturación. Cuanto más blanco contiene menos saturado está el color: el rosa pálido está poco saturado.
MÉTODO SUSTRACTIVO DE LA MEZCLA DE COLORES |  |
El método sustractivo es el que usan los pintores para lograr en el lienzo los distintos colores y tonalidades.
Nosotros vemos la parte de la luz blanca -el color- que emerge del lienzo. El resto de los colores que poseía la luz blanca fué sustraído por los pigmentos.
Un pigmento se ve del color que compone la radiación que rebota en él .
Los colores que los pintores toman como primarios sustractivos y a partir de los cuales obtienen los demás y sus tonalidades son:
| Magenta, al que suelen llamar los artistas rojo |  |
| Cian, al que suelen llamar azul |  |
| Amarillo (coincide con el amarillo aditivo: rojo+ naranja+verde) |  |
Los espectros de estos colores son los siguientes:
| magenta |  | |
| cían |  | |
| amarillo |  |
Observa que partes del espectro total faltan.
Combinando, a partes iguales, dos de estos primarios sustractivos se produce un primario aditivo. Mezclando amarillo y cian en cantidades iguales se obtiene color verde.
Parece raro que estos dos colores, que no se asemejan al verde, lo produzcan. La explicación (para la que vamos a usar los espectros que tienes aquí más arriba) es la siguiente:
Los átomos de un determinado elemento absorben las mismas frecuencias que emiten, por lo tanto primero absorben e inmediatamente reemiten la misma radiación. El conjunto de las radiaciones que emiten origina el color de ese elemento. El resto de las radiaciones desaparecen dentro de la sustancia, no se reemiten.
Si observas el espectro del amarillo verás que "se traga"el azul y el violeta y reemite los demás.
El cian hace desaparecer el rojo y el naranja.
Si están mezclados amarillo y cían sólo sobrevive la parte verde y amarilla (que es común a los dos espectros), por lo tanto la mezcla a partes iguales de pigmentos cían y amarillo da un hermoso color verde.
Todos los procedimientos para imprimir colores sobre una superficie como un lienzo,un papel, fotos, etc. se basan en la mezcla sustractiva.
Combinando en distintas proporciones los primarios sustractivos se logran los diferentes colores.
La mezcla de colores que da lugar a infinitas tonalidades se puede lograr de dos maneras:
- Mezcla aditiva: mezclando luces de colores procedentes de dos o más focos (cañones) sobre una pantalla blanca, obtenemos una mezcla aditiva. Pulsa aquí para utilizar un applet y realizar actividades de mezcla- o en este otro enlace para ver las proyecciones de varias luces contra una pared.
- Mezcla sustractiva: mezclando pigmentos (pinturas) que absorben una parte de la luz dejando rebotar el resto. Se obtiene una luz emergente formada como consecuencia de una mezcla sustractiva.
MÉTODO ADITIVO
1.- Los primarios aditivos.
Podemos dividir el espectro de la luz blanca en tres partes iguales con los siguientes componentes:
| violeta+ azul | verde + amarillo | naranja + rojo |
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Esto se puede lograr dispersando un haz de luz blanca con un prisma situado en el centro de curvatura de un gran espejo cóncavo.
Al combinarse de nuevo sobre una varilla traslúcida de vidrio dan luz blanca.
Si colocamos una tarjeta de papel delante del espejo para impedir que parte de los colores se mezclen, sucede lo siguiente:
| Si llegan a una pantalla luz violeta y azul se ve luz violácea | luz violácea  |
| Si llegan verde y amarillo se ve verde brillante | verde brillante. |
| Si llegan naranja y rojo se ve rojo brillante | rojo brillante |
Estos tres colores reciben el nombre de colores primarios aditivos. Nómbralos y aprende su nombre (RGB ?)
Estos colores puros primarios son en realidad un amplio conjunto de frecuencias próximas.
Mezclando estos tres colores en diferentes proporciones podemos obtener toda la gama de colores existentes.
Los programas de dibujo de tu ordenador te permiten personalizar el color y te dejan definir la mezcla de forma visual o ajustando las proporciones de tres haces RGB( red, green, bleu)=RVA (rojo, verde, azul).
Busca en "accesorios" de windows y usa el Paint (vete a Color / modificar color). Haz click sobre un color y ahora define colores personalizados. Puedes variar la intensidad de los cañones RGB introduciendo valores entre 0 y 255. Si marcas el rojo con 255 y dejas los verde y azul a cero, obtendrás un rojo intenso. ¡Define tus colores! Para saber más pulsa aquí.
En televisión se utilizan estos colores rojo, verde y azul emitidos por cañones independientes para producir toda la gama de colores que vemos en la pantalla.
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Estos cañones de luz componen los colores y sus tonalidades sobre unas pantallas móviles. Una animación de este fenómeno la puedes ver en la página indice.
2.- La mezcla: colores complementarios
Thomas Young, a principio del siglo XIX, demostró que mezclando tres haces de luz que tengan frecuencias ampliamente separadas se puede generar un amplio abanico de colores.
Cuando los colores de los tres haces que se combinan producen luz blanca, se llaman colores primarios.
Cuando los colores de los tres haces que se combinan producen luz blanca, se llaman colores primarios.
Cuando mezclamos dos colores puros diferentes se obtiene otro color. Por ejemplo mezclando un haz rojo con uno verde obtenemos color amarillo.
Si sobre el color amarillo que hemos obtenido proyectamos color azul conseguimos una mezcla que resulta ser de color blanco.
Cada pareja de colores con los que se puede conseguir el blanco se llama pareja de colores complementarios.
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