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Espectro de la luz

Espectro de la luz
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Amancio espectroluzprincipal.JPG

Espectro de la luz. (Del latínlux, lucis) a la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz se usa en un sentido más amplio e incluye el rango entero de radiación conocido como el espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible denota la radiación en el espectro visible.


Generalidades

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones.

El estudio de la luz revela una serie de características y efectos al interactuar con la materia, que nos permiten desarrollar algunas teorías sobre su naturaleza.

La luz, que llega a nuestros ojos y nos permite ver, es un pequeño conjunto de radiaciones electromagnéticas de longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm y los 770 nm.
Espectro de luz

Se denomina espectro visible a la región del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir. A la radiación electromagnética en este rango de longitudes de onda se le llama luz visible o simplemente luz. No hay límites exactos en el espectro visible; un típico ojo humano responderá a longitudes de onda desde 400 a 700 nm aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde 380 a 780 nm.

Historia

Dos de las primeras explicaciones del espectro visible vienen de Isaac Newton, que escribió su óptica y de Johann Wolfgang Goethe en su Teoría de los colores, a pesar de sus tempranas observaciones que fueron hechas por Roger Bacon que por primera vez reconoció el espectro visible en un vaso de agua, cuatro siglos antes de los descubrimientos de Newton con prismas permitieran estudiar la dispersión y agrupación de la luz blanca.

Newton uso por primera vez la palabra espectro (del latín, "apariencia" o "aparición") en 1671 al describir sus experimentos en óptica. Newton observó que cuando un estrecho haz de luz solar incide sobre un prisma de vidrio triangular con un ángulo, una parte se refleja y otra pasa a través del vidrio, mostrando diferentes bandas de colores.

La hipótesis de Newton era que la luz estaba hecha por corpúsculos (partículas) de diferentes colores y que la diferencia en los colores era debido a la diferencia de velocidades de cada uno de ellos, de modo que en un medio transparente, la luz roja era más veloz que la luz violeta. El resultado es que la luz roja se doblaba (refractaba) menos que la luz violeta cuando pasaban a través del prisma, creando el espectro de colores.

Newton dividió el espectro en siete colores llamados rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Imaginó que eran siete colores por una creencia procedente de la antigua Grecia, de los sofistas, que decían que había una conexión entre los colores, las notas musicales, los días de la semana y los objetos conocidos del sistema solar.

El ojo humano es relativamente insensible a las frecuencias índigo y algunas personas no pueden distinguir del añil al azul y al violeta. Por esta razón algunos comentarios, incluidos el de Isaac Asimov, han sugerido que el añil debería dejar de ser tomado como un color entre el azul y el violeta.

Johann Wolfgang von Goethe sostuvo que el espectro continuo era un fenómeno compuesto. Mientras que Newton redujo a haces de luz para aislar el fenómeno, Goethe observaba que con una apertura más amplia no había en el espectro bordes amarillos ni del azul-cían con blanco entre ellos y el espectro solo aparecía cuando esos bordes eran muy cercanos al solapamiento.

Ahora se acepta generalmente que la luz está compuesta de fotones (que tienen algunas de las propiedades de una onda y algunas de partícula) y que toda la luz viaja a la misma velocidad en el vacío (velocidad de la luz).

La velocidad de la luz en un material es menor a la misma en el vacío y la proporción de velocidad es conocida como el Índice de refracción de un material. En algunos materiales, conocidos como no dispersivos, la velocidad de diferentes frecuencias (correspondientes a los diferentes colores) no varía y así el índice refractario es constante.

Sin embargo, en otros materiales (dispersos), el índice de refracción (y así su velocidad) depende de la frecuencia acorde con una relación de dispersión. Los arco iris son un ejemplo ideal de refracción natural del espectro visible.

Propiedades de la luz

Cuando la luz encuentra un obstáculo en su camino choca contra la superficie de este y una parte es reflejada. Si el cuerpo es opaco el resto de la luz será absorbida. Si es transparente una parte será absorbida como en el caso anterior y el resto atravesará el cuerpo transmitiéndose. Así pues, tenemos tres posibilidades:

  • - Reflexión.
  • - Transmisión - refracción.
  • - Absorción.

La luz tiene también otras propiedades, como la polarización, la interferencia, la difracción o el efecto fotoeléctrico, pero estas tres son las más importantes en luminotecnia.

La reflexión

Reflexión de la luz.JPG
La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie de separación de dos medios diferentes (ya sean gases como la atmósfera, líquidos como el agua o sólidos) y está regida por la ley de la reflexión.

La dirección en que sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie. Si es una superficie brillante o pulida se produce la reflexión regular en que toda la luz sale en una única dirección. Si la superficie es mate y la luz sale desperdigada en todas direcciones se llama reflexión difusa. Y, por último, está el caso intermedio, reflexión mixta, en que predomina una dirección sobre las demás. Esto se da en superficies metálicas sin pulir, barnices, papel brillante, etc.

La refracción

La refracción se produce cuando un rayo de luz es desviado de su trayectoria al atravesar una superficie de separación entre medios diferentes según la ley de la refracción. Esto se debe a que la velocidad de propagación de la luz en cada uno de ellos es diferente.

La transmisión

La transmisión se puede considerar una doble refracción. Si pensamos en un cristal; la luz sufre una primera refracción al pasar del aire al vidrio, sigue su camino y vuelve a refractarse al pasar de nuevo al aire. Si después de este proceso el rayo de luz no es desviado de su trayectoria se dice que la transmisión es regular como pasa en los vidrios transparentes.

Si se difunde en todas direcciones tenemos la transmisión difusa que es lo que pasa en los vidrios translúcidos. Y si predomina una dirección sobre las demás tenemos la mixta como ocurre en los vidrios orgánicos o en los cristales de superficie labrada.

La absorción

La absorción es un proceso muy ligado al color. El ojo humano sólo es sensible a las radiaciones pertenecientes a un pequeño intervalo del espectro electromagnético. Son los colores que mezclados forman la luz blanca.

Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen son absorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las que determinan el color que percibimos.

Si las reflejas todas es blanca y si las absorbe todas es negra. Un objeto es rojo porque refleja la luz roja y absorbe las demás componentes de la luz blanca. Si iluminamos el mismo objeto con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo absorbe esta componente y no refleja ninguna.

Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto depende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar.

Espectro de luz visible

La radiación óptica

La radiación óptica es la radiación electromagnética de longitud de onda comprendida entre las microondas (1mm) y los rayos X (1nm).

Diódo led

Dentro del espectro de la radiación óptica, se encuentra una pequeña franja comprendida entre los 400nm y 700nm la cual es perceptible por el ojo humano. A este margen se le denomina radiación de espectro de luz visible.

En la parte inferior tenemos la radiación infrarroja, la denominada radiación térmica o IR. Todos los cuerpos emiten radiación por las características energéticas de la materia, siendo la máxima exponente la que se produce en la zona de infrarrojos.

En la parte superior está la radiación ultravioleta o UV que se puede encontrar principalmente en la radiación solar, se produce en arcos eléctricos y mediante algunos dispositivos especializados como tubos fluorescentes de UV, también denominados de luz negra.

Ampliamente utilizada en la industria, al tratarse de una radiación ionizante es utilizada para provocar reacciones químicas, esterilización de productos etc.

En determinadas sustancia produce el efecto de brillo o fluorescencia, utilizándose esta característica para la identificación y control de sustancia y objetos. Los rayos UV tienen muchos efectos beneficiosos y perjudiciales en la salud humana, de todos es conocido el efecto producido por una prolongada exposición a la luz solar, sobre todo en las horas centrales del día que es cuando la radiación es de mayor intensidad.

La percepción del color depende de la longitud de onda, cuando la luz incide sobre un cuerpo, este refleja con mayor intensidad algunas longitudes de onda que otras. Estas al ser percibidas por el ojo humano determinan el color característico de dicho cuerpo. Por supuesto, la percepción de cada color varía de una persona a otra.

  • - Rojo 700 - 630 nm
  • - Naranja 630 - 600 nm
  • - Amarillo 600 - 570 nm
  • - Verde 570 - 520 nm
  • - Cian 520 - 480 nm
  • - Azul 480 - 430 nm
  • - Violeta 430 - 400 nm

Espectros

Cuando se hace pasar la luz a través de un prisma óptico se produce el efecto llamado dispersión que consiste en la separación de las distintas longitudes de onda que forman el rayo incidente.

La luz blanca produce al descomponerla lo que llamamos un espectro continuo, que contiene el conjunto de colores que corresponde a la gama de longitudes de onda que la integran.
Espectro contínuo
Sin embargo, los elementos químicos en estado gaseoso y sometido a temperaturas elevadas producen espectros discontinuos en los que se aprecia un conjunto de líneas que corresponden a emisiones de sólo algunas longitudes de onda. Observe la imagen que muestra el espectro de emisión del Na (sodio):
Espectro discontinuo

El conjunto de líneas espectrales que se obtiene para un elemento concreto es siempre el mismo, incluso si el elemento forma parte de un compuesto complejo, y cada elemento produce su propio espectro diferente al de cualquier otro elemento. Esto significa que cada elemento tiene su propia firma espectral.

Si se hace pasar la luz blanca por una sustancia antes de atravesar el prisma sólo pasarán aquellas longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por dicha sustancia y obtendrá el espectro de absorción de dicha sustancia. La imagen siguiente muestra el espectro de absorción del sodio.
Espectro de absorción

Observa que el sodio absorbe las mismas longitudes de onda que es capaz de emitir.

La regularidad encontrada en los espectros discontinuos supone un apoyo muy importante para comprender la estructura de los átomos.

Historia del espectro

Las técnicas espectroscópicas se empezaron a utilizar en el siglo XIX y no tardaron en dar sus primeros frutos. Así, en 1.868 el astrónomo francés P.J.C. Janssen se trasladó a la India con el objeto de observar un eclipse de sol y utilizar el espectroscopio, desarrollado ocho años antes, para hacer un estudio de la cromosfera solar.

Como resultado de sus observaciones anunció que había detectado una nueva línea espectroscópica, de tono amarillo, que no pertenecía a ninguno de los elementos conocidos hasta ese momento. En el mismo año, el químico Frankland y el astrónomo Lockyer dedujeron que la citada línea correspondía a un nuevo elemento al que llamaron Helio (del griego Helios que significa Sol) por encontrarse en el espectro solar.

Durante más de veinticinco años se pensó que el helio sólo existía en el Sol, hasta que, en 1.895 W. Ramsay lo descubriera en nuestro planeta.

Fuentes

  • - Manual de alumbrado.pdf
  • - MAIZTEGUI, A. Introducción a la física
  • - MIRANDA, E. Manual de óptica