(S-4) La Multicolor Luz Solar

El Espectro 

Los colores del arco iris son el "espectro básico" desde el que se compone toda la luz visible. Aunque estos colores se combinan sin problemas, algunas veces están divididos en el rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Así como los sonidos musicales contienen los tonos de la escala básica (o combinaciones de tonos, p.e. acordes), la luz visible está hecha de estos "componentes espectrales". 

Isaac Newton mostró que un prisma triangular no solo puede separar un rayo de luz solar en los colores del arco iris (eso ya era conocido), sino también que, cuando un segundo prisma junta los diferentes colores de nuevo, se vuelve a obtener luz blanca. Por lo tanto, la luz blanca es una combinación de los colores del arco iris y el prisma separa los colores porque el ángulo con el que se refracta un rayo de luz cuando entra en el cristal, difiere de un color al siguiente. 

[Por la misma razón, una lente simple de cristal proporciona diferentes colores hacia un foco a diferentes distancias. En la época de Newton, si un astrónomo enfocaba un telescopio para obtener una imagen amarilla clara de una estrella, esa imagen estaba rodeada de parches desenfocados de rojo y verde. Newton pensaba que el problema no tenía solución y procedió a inventar un nuevo tipo de telescopio que no estaba basado en lentes, sino en espejos cóncavos, que reflejan todos los colores por igual. En épocas posteriores las ópticas fueron creadas de forma que enfocaban todos los colores juntos, usando una combinación de varias lentes hechas de diferentes tipos de cristal y hoy en día se utilizan así en las cámaras, proyectores y pequeños telescopios. Sin embargo, todos los grandes telescopios modernos siguen la idea de Newton y usan espejos.] 

Color percibido

A pesar de la explicación del arco iris, el rompecabezas del color aún desconcierta a los científicos. Por ejemplo, los niños que hacen experimentos con lápices de colores, encuentran que la combinación de amarillo y azul genera el verde. ¿Es el verde un color básico como sugiere el arco iris o es la combinación de otros dos colores? 

Maxwell

El enigma fue resuelto alrededor de 1860 por James Clerk Maxwell (visualizado a la izquierda), el brillante físico escocés que también nos dejó las ecuaciones básicas de la electricidad, las que predicen las ondas electromagnéticas (vea la Sección S-5). Maxwell demostró, siendo aún estudiante, que existían dos tipos de color, dependiendo de si eran percibidos por un instrumento o por el ojo humano: 

"Color espectral" p.e. los colores del arco iris y sus combinaciones. La medida con que cada parte del espectro del arco iris contribuye a un rayo de luz se puede determinar dividiendo el rayo con un prisma. 

"Color percibido" comunicado al cerebro por el ojo humano. 

Un instrumento que use prismas ("espectrógrafo") revelará que el color verde del arco iris y el verde formado por el (amarillo + azul) no son los mismos. Sin embargo, el ojo humano no puede notar la diferencia. 

Nuestro ojo contiene tres tipos de células sensitivas, cada una usando una banda de color diferente, una banda centrada en el rojo, otra en el amarillo y otra en el azul. Cuando vemos verde, están estimuladas las células sensitivas al amarillo y al azul, pero nuestros ojos no pueden distinguir si eso ocurre porque vemos ambos colores mezclados o porque vemos solo un color (verde del arco iris), que está a medias entre esas dos bandas de color. 

Cualquier color que vemos, incluido el marrón, el verde oliva y otros que están ausentes en el arco iris, es una impresión en la conducta de nuestro cerebro cuando combina las señales de esas tres bandas de color. Las personas daltónicas no tienen algunos tipos de células oculares y su mundo está a falta de ciertos colores o incluso (para los que solo disponen de un tipo de célula) ningún color. 

Así es como se basan en los tres colores primarios, rojo, amarillo y azul, la televisión el color y las impresoras de color. Estos aparatos no reproducen el color espectral de los objetos que muestran, pero, aún así, son capaces de representar cualquier color que nuestros ojos pueden ver. 

El Espectro

Los colores abordados de aquí en adelante serán colores espectrales. Son importantes en la naturaleza dos formas de distribución de color: 

(1) En la luz emitida por los sólidos, los líquidos o los grandes cuerpos de gas denso como el Sol, los colores se distribuyen continuamente. Su distribución exacta (el espectro del cuerpo negro) depende de la temperatura a la que se produce, una mano cálida irradia en su mayoría en el infrarrojo, una resplandeciente barra de hierro está al rojo cereza, el filamento de una lámpara es amarillo brillante y la luz solar es blanco candente. 

[También es de este tipo es la distribución de la radiación de microondas superviviente del "big bang" cuando aparentemente comenzó el universo, una radiación observada por el satélite COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA. Cuando fue mostrado por vez primera el espectro observado por el COBE antes de una reunión de astrónomos, causó una gran conmoción. Los valores observados mostraban generalmente algún error experimental, pero aquí estaban tan cercanos a la curva teórica prevista que la primera impresión de los espectadores fue que los presentadores habían dibujado la curva primero y luego habían colocado sus puntos encima.] 

(2) Los colores de la luz emitida por átomos o moléculas individuales en un gas rarificado no están distribuidas de forma continua, sino que están concentrados en estrechas bandas del espectro. Los colores son característicos del tipo de átomo o molécula que los emiten, al igual que el tono de un diapasón es la característica de su tamaño, espesor y tipo de metal. Estas estrechas bandas se conocen como líneas espectrales, porque en la mayoría de los espectrógrafos la luz entra a través de una estrecha rendija, de tal forma que cada emisión surge como una línea en la imagen resultante. 

Por ejemplo, es bien conocido que las llamas, en un hogar, fogata o en un edificio ardiendo, son amarillo naranja. Un espectrógrafo revelará que el color proviene de dos líneas estrechamente espaciadas, características del sodio, que irradia su luz aún en el calor moderado de un fuego. La madera y la mayoría de combustibles (pero no el gas natural, que quema azul) contienen pequeñas cantidades de sal común (NaCl) y con solo trazas se le añade color a la llama. 

Las luces de la calle pueden contener una pequeña cantidad de vapor de mercurio, que emite en una luz azulada, pero no roja. Debido a que su cobertura del espectro del arco iris es incompleta, los colores vistos con esas luces a menudo parecen ser no naturales. Las lámparas fluorescentes también contienen mercurio (un espectroscopio mostraría las "líneas" del mercurio), pero para crear una luz más suave y placentera (y para darle a la luz UV, normalmente desperdiciada, un buen uso), tienen una capa fluorescente por dentro del cristal que absorbe los colores chillones del mercurio (incluyendo las UV) y los vuelve a irradiar en una distribución de color más uniforme. Las luces de Neón funcionan de forma similar, con pequeñas cantidades de otros gases produciendo los colores apropiados. Algunas luces de la calle también contienen vapor de sodio y se pueden reconocer por su color amarillo- anaranjado. 

La Naturaleza Ondular de la Luz

Los prismas y rendijas se pueden usar para filtrar la luz, dejando pasar solo la luz "monocromática" de un color espectral único y bien definido. Los estudios con esa luz han mostrado que se propaga como una onda. Su longitud de onda, la distancia entre cresta y cresta, es más bien diminuta, normalmente 0.5 micronésimas (millonésimas de metro). 

[Aplazamos la explicación de la pregunta: ¿ la cresta de qué? " Los físicos antiguos no conocían la respuesta, solo sabían que cuando dos crestas se superponían, la luz era más brillante, mientras que cuando las crestas eran en la dirección opuesta, las ondas se cancelaban entre ellas y daban lugar a la oscuridad.] 

La longitud de onda determina el alcance al que una onda puede confinarse en ciertos lugares. Debido a que las ondas de luz son tan cortas, podemos también visualizarlas como un rayo bien delimitado. Sin embargo, los contornos comienzan a desdibujarse cuando miramos pequeños objetos a través de un microscopio potente, aumentándolos varias miles de veces, porque las ondas de luz no pueden definir los detalles menores que su longitud de onda. Es donde se hacen útiles los microscopios electrónicos, que no usan la luz, sino rayos de electrones. 

Para medir la longitud de onda existe una gran variedad de instrumentos para ayuda de los físicos. El más usado por los estudiantes es la rejilla de difracción, una lámina reglada con finas ranuras paralelas, con una distancia constante entre ellas. Son accesibles baratas rejillas de difracción, prensadas de una rejilla metálica y montadas en marcos de cartón como las diapositivas. Las ondas entrantes resuenan con el espacio entre las ranuras y alguna se desvía con un ángulo que depende de la longitud de onda y conociendo el ángulo y el espaciado permite calcular la longitud de onda. Esta rejillas pueden separar un rayo de luz en sus colores de la misma forma que lo hacen los prismas y se usan a menudo en los espectrógrafos. 

[Iluminándola desde un lado con una superficie reflectante por detrás, las rejillas brillaran con muchos colores, haciéndolas un artículo popular en las pedrerías para vestidos. El mismo proceso es el responsable del brillo de los discos láser usados para la grabación musical y para grabar datos de computación, ya que también contienen muchas ranuras estrechas y paralelas.] 

Espectro

Los científicos del siglo XIX, en particular Robert Bunsen (1811-99) y Gustav Kirchoff (1824-87), observaron y catalogaron el espectro de muchas sustancias. Esto proporcionó una herramienta para analizar la composición de los metales y otras sustancias, que aún se usa ampliamente. 

También el Sol emite líneas espectrales. Las primeras observadas fueron las líneas oscuras (denominadas líneas Fraunhofer por su descubridor), que sugieren un aumento de la absorción de la luz, no un incremento de emisión. Los átomos fríos absorben la misma longitud de onda que la que emite cuando está caliente, por ejemplo, la luz procedente de una lámpara de filamento, brillando a través de un tubo con vapor de mercurio demasiado frío para emitir luz, desarrollará líneas oscuras de la misma longitud de onda que la emitida por el vapor de mercurio caliente. En el caso de la luz solar, se saca la conclusión de que la absorción no ocurre en la atmósfera terrestre (como se podría pensar), sino en la solar. 

La luz solar contiene muchas líneas de emisión brillantes, características del hidrógeno, calcio y otros elementos. Una línea amarilla, descubierta en 1868, fue primero identificada como la línea amarilla del sodio, pero no tenía la frecuencia correcta y no se adaptaba al espectro de ninguna otra sustancia conocida. El astrónomo británico Norman Lockyer propuso finalmente que era de una nueva sustancia, desconocida en la Tierra y estaba en lo cierto: el "helio" (de "helios", el Sol) fue identificada en el material terrestre por William Ramsay en 1895 y posteriormente fue aislado por él mismo. 

P. Si deja caer sal con una criba sobre una llama azul de gas, ¿qué obtendrá?
R. La llama se coloreará de amarillo. 

P. Los semáforos tienen la luz roja arriba, la naranja en el medio y la verde abajo. Un semáforo colocado en el cruce de dos carreteras necesitará 12 lámparas, 3 para cada dirección. Los ingenieros de tráfico pueden ahorrar del presupuesto colocando solo tres luces, una sobre la otra, visibles en las 4 direcciones mediante ventanas en el aparato señalizador. Las mismas luces se pueden utilizar para ambas carreteras con la ventana que enfrenta a una carretera con la luz roja arriba y verde abajo, mientras que para la carretera que la cruza está la roja abajo y la verde arriba. 
Realmente esto no se hace nunca. ¿Por qué? 

R. Un conductor ciego al color no será capaz de distinguir el rojo del verde, pero puede distinguir arriba de abajo. 

P. La brillante estrella Sirius brilla con luz blanca, mientras que Antares es rojiza. ¿Que se puede decir de estas dos estrellas? 

A. Sirius probablemente es más caliente que Antares. 

Próxima Etapa: (S-5) Ondas y Fotones

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