Luz

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: Luz (homónimos).

A luz ou luz visible é a radiación electromagnética comprendida na parte do espectro electromagnético que percibe o ollo humano. A luz visible defínese xeralmente como a que ten lonxitudes de onda no rango de 400-700 nanómetros (nm), entre o infravermello (con lonxitudes de onda máis longas) e o ultravioleta (con lonxitudes de onda máis curtas). Esta lonxitude de onda supón unha gama de frecuencias de aproximadamente 430-750 terahercios (THz).

Raio de luz solar dispersado por partículas de po no canón do Antílope, nos Estados Unidos.

As propiedades principais da luz visible son intensidade, dirección de propagación, espectro de frecuencia ou lonxitude de onda e polarización. A súa velocidade no baleiro, 299.792.458 metros por segundo (m/s), é unha das constantes fundamentais da natureza.

En física, o termo "luz" refírese ás veces á radiación electromagnética de calquera lonxitude de onda, visible ou non. Neste sentido, tamén son luz os raios gamma, os raios X, as microondas e as ondas de radio. Como todos os tipos de radiación electromagnética, a luz visible propágase en forma de ondas. Con todo, a enerxía transmitida polas ondas absórbese en lugares únicos da mesma maneira que se absorben as partículas. A enerxía absorbida polas ondas electromagnéticas denomínase fotón e representa o quanto da luz. Cando unha onda de luz transfórmase e é absorbida como un fotón, a enerxía da onda colapsa instantaneamente nun único lugar e este lugar é onde "chega" o fotón. Isto é o que se denomina colapso da función de onda. Esta dobre natureza da luz, similar a unha onda e tamén a unha partícula, coñécese como dualidade onda-partícula. O estudo da luz, coñecido como óptica, é unha importante área de investigación da física moderna.

A principal fonte de luz na Terra é o Sol. Historicamente, outra fonte importante de luz para os seres humanos foi o lume, desde as antigas fogueiras ata as modernas lámpadas de parafina. Co desenvolvemento das luces eléctricas e os sistemas de enerxía, a iluminación eléctrica substituio efectivamente á luz do fogo.

Espectro electromagnético e luz visible

O espectro electromagnético, coa porción visible do espectro resaltada.

Artigo principal: Espectro electromagnético.

En xeral, a radiación electromagnética (REM) clasifícase por lonxitude de onda en ondas de radio, microondas, infravermellos, o espectro visible que percibimos como luz, ultravioleta, raios X e raios gamma. A denominación "radiación" exclúe a electricidade estática, o magnético e os campos próximos.

O comportamento dos REM depende da súa lonxitude de onda. As frecuencias máis altas teñen lonxitudes de onda máis curtas e as frecuencias máis baixas teñen lonxitudes de onda máis longas. Cando os REM interactúan con átomos e moléculas individuais, o seu comportamento depende da cantidade de enerxía por canto que transportan.

A REM na rexión da luz visible consiste en quantos (chamados fotóns) que están no extremo inferior das enerxías que son capaces de causar excitación electrónica dentro das moléculas, o que conduce a cambios na ligazón ou a química da molécula. No extremo inferior do espectro de luz visible, a REM vólvese invisible para os humanos (infravermellos) porque os seus fotóns xa non teñen suficiente enerxía individual para provocar un cambio molecular duradeiro (un cambio de conformación) na molécula visual retinal da retina humana, cambio que desencadea a sensación de visión.

Existen animais sensibles a varios tipos de infravermellos, pero non mediante absorción cuántica. A detección de infravermellos en serpes depende dunha especie de imaxe térmica natural, na que diminutos paquetes de auga celular elévanse de temperatura pola radiación infravermella. A REM neste rango provoca vibracións moleculares e efectos de quecemento, que é como a detectan estes animais.

Por encima do rango da luz visible, a luz ultravioleta vólvese invisible para os humanos, sobre todo porque é absorbida pola córnea por baixo dos 360 nm e polo cristalino por baixo dos 400 nm. Ademais, os bastons e conos situados na retina do ollo humano non poden detectar as lonxitudes de onda ultravioleta moi curtas (por baixo de 360 nm) e, de feito, resultan danadas polos raios ultravioleta. Moitos animais con ollos que non necesitan lentes (como os insectos e as gambas) son capaces de detectar o ultravioleta, mediante mecanismos cuánticos de absorción de fotóns, de forma moi parecida á forma química en que os humanos detectan a luz visible.

Diversas fontes definen a luz visible nun rango tan estreito como 420-680 nm. ata 380–800 nm. En condicións ideais de laboratorio, as persoas poden ver os infravermellos ata polo menos 1,050 nm; os nenos e os adultos novos poden percibir lonxitudes de onda ultravioleta de ata uns 310–313 nm.

O crecemento das plantas tamén se ve afectado polo espectro de cor da luz, un proceso coñecido como fotomorfoxénese.

Propiedades

Reflexión

Reflexión.

Calquera obxecto sen luz propia pode ser observado grazas á reflexión. Segundo a dirección do feixe de luz, distínguense diferentes tipos de reflexión:

• Especular: Prodúcese cando a luz incide sobre unha superficie pulimentada. A dirección do feixe de luz queda determinado polas leis de Snell.
• Semiespecular: Prodúcese cando a luz incidente chega a unha superficie lisa e mate e é reflectida con ángulos lixeiramente diferentes pero cunha mesma dirección xeral.
• Difusa: A luz chega a unha superficie rugosa e reflectise en direccións diferentes.
• Cromática: A reflexión afecta de forma distinta ás distintas lonxitudes de onda.
• Acromática: Prodúcese cando se reflicte por igual todo o feixe de luz.

Refracción

Refracción.

A refracción é o conxunto de cambios de dirección que experimenta un raio de luz na súa propagación ó pasar dun medio a outro, debido á desigual densidade ou velocidade.

Segundo as leis de refracción de Snell, o feixe de incidencia, o feixe refractado e a normal teñen que estar nun mesmo plano. Deste xeito, o seno do ángulo incidente multiplicado polo índice de refracción do primeiro medio é igual ó seno do ángulo refractado polo índice de refracción do segundo medio. En linguaxe matemática segundo a notación da imaxe:

$n_{1}\ sen\theta _{1}=n_{2}\ sen\theta _{2}\,$

A continuación hai algúns índices de refracción coñecidos:

Medio	Índice de refracción
Baleiro	1
Aire	1,000298
Auga	1,33
Alcol	1,39
Cuarzo	1,46
Vidro	1,5
Zafiro	1,77
Diamante	2,417

Transmisión e absorción

Absorción da cor branca.

Absorción da cor amarela.

Absorción da cor negra.

A absorción é a cantidade de luz que ó incidir sobre unha superficie non é transmitida nin reflectida. Dise que resulta absorbida e convértese en enerxía calorífica. Isto proporciona as características de transparentes, translúcidos e opacos aos corpos.

• Transparentes: Algúns son acromáticos, como o cristal, que absorben tódalas lonxitudes de onda. Outros, como os filtros, son cromáticos e transmiten algunhas lonxitudes de onda incidentes e absorben total ou parcialmente outras.
• Translúcidos: Hainos tanto acromáticos como cromáticos. Estes corpos deixan pasar a luz de xeito que as formas se fan irrecoñecibles ao velas ao través.
• Opacos: Impiden o paso da luz. Por exemplo, os corpos negros absorben toda a luz; pola súa banda, os brancos reflíctena completamente e os de cores reflicten as radiacións en función do feixe de luz.

Interferencias

As interferencias prodúcense cando dous ou máis raios de luz da mesma lonxitude de onda se superpoñen no tempo e no espazo. En caso de estaren en fase, forman unha única onda de maior amplitude. Pola contra, de non estaren en fase, anúlase unha coa outra.

Difracción

A difracción aparece cando os raios luminosos que se propagan na súa traxectoria rectilínea próximos a un bordo son lixeiramente desviados debido á súa natureza ondulatoria. O grao de desviación depende da súa composición espectral e é maior para as lonxitudes de onda longas que para as curtas.

Polarización

A polarización é a propiedade pola cal algúns materiais actúan de forma selectiva absorbendo enerxía lumínica en certos ángulos durante o proceso de reflexión ou transmisión.

Dispersión

Prisma de dispersión.

A dispersión é un fenómeno lumínico que se produce cando un raio de luz composta se refracta nun medio transparente, quedando separados as cores constituíntes. A causa de que se produza a dispersión atópase no feito de que o índice de refracción diminúe a medida que aumenta a lonxitude de onda.

A cor vermella é a que ten a lonxitude de onda máis longa e a que menos se refracta.

Teorías

• Teoría corpuscular
  • Foi proposta por Isaac Newton no século XVII
  • Argumentou que a luz está feita por pequenas partículas materiais (corpúsculos)
  • Os corpúsculos son emitidos en todas as direccións
  • Soporta o feito da luz reflectida
  • Argumenta que a velocidade da luz crece ó entrar nun medio máis denso porque a gravidade tira deles con máis forza
  • Argumentos descartados pola teoría ondulatoria
• Teoría ondulatoria (ou de raios)
  • Proposta primeiro por Christiaan Huygens no século XVII
  • Argumenta que a luz é emitida só como unha serie de ondas
  • As ondas son emitidas en todas as direccións
  • As ondas non son afectadas pola gravidade, baixando a velocidade ó entrar nun medio máis denso
  • Descartada pola teoría corpuscular
  • Pode interferir con outras ondas como as sonoras (enunciado no século XVIII por Thomas Young)
  • As ondas poden ser polarizadas
  • Asume que a luz necesita un medio para a súa transmisión como ocorre co son
• Teoría Electromagnética
  • Di que as ondas de luz son electromagnéticas e non necesitan un medio de transmisión material
  • Proposta por James Clerk Maxwell á fin do século XIX
  • amosa que a luz visible é parte do espectro electromagnético
• Teoría Cuántica (ou Dualidade onda-partícula)
  • Combina as tres teorías anteriores
  • comeza a existir no final do século XIX
  • Max Planck propuxo que as ondas luminosas están constituídas por paquetes enerxéticos coñecidos como cuantos ou fotóns (en 1900)
  • A luz preséntase como partículas e como ondas.

Características da luz visible

A luz visible é aquela porción do espectro electromagnético entre unha lonxitude de onda achegada a 400 nanometros (abreviado nm) e 800 nm (no aire). A luz tamén pode ser caracterizada pola súa frequencia. A frecuencia e a lonxitude de onda da luz obedecen á relación:

$v=\lambda f$ (Fórmula da Velocidade da Luz ou outra onda calquera),

onde λ é o cumprimento de onda, f é a frequencia, v é a velocidade da luz. Se a luz estivese a viaxar en baleiro, entón v = c, logo

$c=\lambda f$,

onde c é a velocidade da luz. Podemos expresar v como

$v=c/n$

onde n é unha constante (o índice de refracción) o que é unha propiedade do material polo cal a luz pasa.

Cambio na velocidade da luz

A luz propágase a unha velocidade finita. Aínda os observadores móbiles sempre miden a mesma velocidade da luz (c) se se está a propagar polo baleiro, velocidade que resulta ser = 299 792 458 m/s (ms⁻¹); Porén, cando a luz pasa a través dunha substancia transparente, como ar, auga ou vidro, a súa velocidade vese reducida, sufrindo refracción (variación na súa dirección de propagación). Así, n=1 no baleiro e n>1 na materia, sendo n o chamado índice de refracción, igual a c/v, onde v é a velocidade no medio diferente do baleiro.

A liña amarela mostra o tempo que tarda a luz en percorrer o espazo entre a Terra e a Lúa, ao redor de 1,26 segundos.

Historia da velocidade da luz

Artigo principal: Velocidade da luz.

Feixe de luz solar no interior da cavidade de Rocca ill'Abissu en Fondachelli-Fantina, Sicilia

A velocidade da luz no baleiro defínese exactamente como 299 792 458 m/s (aprox. 186,282 millas por segundo). O valor fixo da velocidade da luz en unidades SI se debe a que o metro se define agora en termos da velocidade da luz. Todas as formas de radiación electromagnética móvense exactamente á mesma velocidade no baleiro.

Diferentes físicos tentaron medir a velocidade da luz ao longo da historia. Galileo tentou medir a velocidade da luz no século XVII. Un dos primeiros experimentos para medir a velocidade da luz foi realizado por Ole Rømer, físico danés, en 1676. Utilizando un telescopio, Rømer observou os movementos de Xúpiter e unha das súas lúas, Ío. Observando discrepancias no período aparente da órbita de Io, calculou que a luz tarda uns 22 minutos en percorrer o diámetro da órbita da Terra. Con todo, naquel momento descoñecíase o seu tamaño. Se Rømer coñecese o diámetro da órbita terrestre, calcularía unha velocidade de 227 000 000 m/s.

Outra medición máis precisa da velocidade da luz foi realizada en Europa por Hippolyte Fizeau en 1849. Fizeau dirixiu un feixe de luz a un espello situado a varios quilómetros de distancia. Colocou unha roda dentada xiratoria na traxectoria do feixe de luz na súa viaxe desde a fonte ata o espello e de volta á súa orixe. Fizeau descubriu que, a unha determinada velocidade de rotación, o raio pasaba por un oco da roda á ida e polo seguinte oco á volta. Coñecendo a distancia ao espello, o número de dentes da roda e a velocidade de rotación, Fizeau puido calcular a velocidade da luz como 313 000 000 m/s.

Léon Foucault realizou un experimento que utilizaba espellos xiratorios para obter un valor de 298 000 000 m/s en 1862. Albert A. Michelson realizou experimentos sobre a velocidade da luz desde 1877 ata a súa morte en 1931. En 1926 perfeccionou os métodos de Foucault utilizando espellos xiratorios mellorados para medir o tempo que tardaba a luz en facer unha viaxe de ida e volta desde o Mount Wilson ao Monte San Antonio en California. As medicións precisas lanzaron unha velocidade de 299 796 000 m/s.

A velocidade efectiva da luz en diversas substancias transparentes que conteñen materia ordinaria, é menor que no baleiro. Por exemplo, a velocidade da luz na auga é aproximadamente 3/4 da do baleiro.

Dise que dous equipos independentes de físicos conseguiron "deter completamente" a luz facéndoa pasar a través dun condensado de Bose-Einstein do elemento rubidio, un deles na Universidade Harvard e o Instituto Rowland para a Ciencia en Cambridge, Massachusetts, e o outro no Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, tamén en Cambridge. Con todo, a descrición popular de que a luz se "detén" nestes experimentos refírese unicamente a que a luz se almacena nos estados excitados dos átomos, para volver emitirse nun momento posterior arbitrario, estimulada por un segundo pulso láser. Durante o tempo que estibo “parado”, deixou de ser luz

Óptica

Artigo principal: Óptica.

O estudo da luz e a interacción da luz coa materia denomínase óptica. A observación e o estudo de fenómenos ópticos como o arco da vella e a aurora boreal ofrecen moitas pistas sobre a natureza da luz.

Un obxecto transparente permite que a luz transmita ou pase a través del. Pola contra, un obxecto opaco non permite que a luz o atravese e no seu lugar reflicte ou absorbe a luz que recibe. A maioría dos obxectos non reflicten nin transmiten a luz especularmente e ata certo punto esparexe a luz entrante, o que se denomina brillo. A dispersión superficial está causada pola rugosidade superficial das superficies reflectoras, e a dispersión interna está causada pola diferenza de índice de refracción entre as partículas e o medio dentro do obxecto. Do mesmo xeito que os obxectos transparentes, os translúcidos permiten a transmisión da luz, pero os obxectos translúcidos tamén dispersan certas lonxitudes de onda da luz a través da dispersión interna.

Refracción

Artigo principal: Refracción.

Debido á refracción, a palliña mergullada na auga aparece dobrada e a escala da regra comprimida cando se mira desde un ángulo pouco profundo.

A refracción é a desviación dos raios de luz ao atravesar unha superficie entre un material transparente e outro. Descríbese mediante a Lei de Snell:

$n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\ .$

onde θ₁ é o ángulo entre o raio e a superficie normal no primeiro medio, θ₂ é o ángulo entre o raio e a normal da superficie no segundo medio e n₁ e n₂ son o índices de refracción, n = 1 no baleiro e n > 1 nunha substancia transparente.

Cor e características de onda

Diferentes lonxitudes de onda son interpretadas polo cerebro humano como cores, do vermello a lonxitudes de onda longas (baixas frecuencias) ó violeta ás lonxitudes de onda máis curtas (máis altas frecuencias). As frecuencias intermedias son vistas como laranxa, amarelo, verde, azul, e, de xeito convencional, índigo. As frecuencias do espectro inmediatamente fóra do rango visible polo ollo humano son chamadas ultravioleta (UV) para o límite de altas frecuencias e infravermello (IR) para o de baixas. Os humanos non podemos ver IR, pero percibímolo como calor a través da pel. Hai cámaras que poden coller IR e convertelo en luz visible, chamadas de visión nocturna. A radiación UV non é percibida por nós en absoluto, exceptuando como sobreexposición, queimado por luz solar ou semellante. Algúns animais, como as abellas, poden ver UV mentres outros, como algún tipo de víbora pode ver IR.

Medición da luz

Lámpada artesanal de cores.

As cantidades e unidades seguintes son usadas para medir a luz.

• brillo (ou temperatura)
• luminescencia ou iluminación (unidade SI: lux)
• fluxo luminoso (unidade SI: lumen)
• intensidade luminosa (unidade SI: candela)

Fontes de luz

Farola da Alameda de Santiago de Compostela.

Basicamente, a luz procede de dous tipos de fontes:

• Fontes primarias: Son as capaces de emitir radiacións luminosas por si soas grazas a algún proceso físico ou químico, xa sexa combustión, fluorescencia, incandescencia ou descarga eléctrica.
• Fontes secundarias: Son aquelas que emiten de forma máis ou menos modificada e dosificada a luz que recibe dunha fonte primaria. Por exemplo, calquera obxecto ou as persoas.

A continuación detállanse algúns tipos de fontes de luz:

• radiación térmica (radiación do corpo negro)
  • lámpadas incandescentes
  • Radiación solar
  • lapas (ver lume)
• emisión de espectro atómico (liñas de emisión, emisión estimulada ou emisión espontánea)
  • láser e máser (emisión estimulada)
  • díodo emisor de luz
  • lámpadas de descarga gasosa (sinais de neon, lámpadas de mercurio etc)
  • lapas (producidas polo gas quente, ver enriba)
• aceleración dunha partícula libre cargada (xeralmente un electrón)
  • radiación ciclotrón
  • radiación Bremsstrahlung
  • radiación Cherenkov
• quimioluminescencia
• fluorescencia
• fosforescencia
  • tubo de raios catódicos
• bioluminescencia
• sonoluminescencia
• triboluminescencia
• desintegración radioactiva
• aniquilación partícula-antipartícula

Onda de luz

Véxase tamén

Bibliografía

• Atkins, Peter; de Paula, Julio (2002). "Quantum theory: introduction and principles". Physical Chemistry. New York: Oxford University Press. 0-19-879285-9. 
• Skoog, Douglas A.; Holler, F. James; Nieman, Timothy A. (2001). "Introducción a los métodos espectrométricos". Principios de Análisis instrumental. 5ª Edición. Madrid: McGraw-Hill. 84-481-2775-7. 
• Tipler, Paul Allen (1994). Física. 3ª Edición. Barcelona: Reverté. 84-291-4366-1. 
• Burke, John Robert (1999). Física: la naturaleza de las cosas. México DF: International Thomson Editores. 968-7529-37-7. 

Outros artigos

• Principio de Huygens-Fresnel
• Temperatura da cor
• Alumamento
• Dualidade onda-corpúsculo