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PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN MEDIOS NO VACÍOS: TRANSPARENCIA Y OPACIDAD |
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Una
imagen nemotécnica útil para interpretar la propagación de la luz en
un medio no vacío es la de una "carrera de relevos"
en la que los relevistas serían los fotones constituyentes
de dicha luz. Cada fotón viaja a la velocidad c y sigue
la trayectoria de tiempo mínimo por el vacío existente
entre una partícula que lo emitió y otra partícula otra
que lo va a absorber. Cuando se produce esa absorción el
fotón desaparece y la partícula salta a un estado
excitado (de mayor energía). Posteriormente, esa
partícula puede "relajarse" emitiendo un nuevo fotón que "prosigue la
carrera".
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Los
dibujos adjuntos resumen
esta metáfora: 1: Un fotón se aproxima a
una partícula del medio. 2: La partícula absorbe al
fotón saltando a un estado excitado. 3: La partícula se
des-excita y emite un nuevo fotón. |
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Esta
descripción ayuda a entender por qué la luz tiene una velocidad
inferior a c en los medios materiales. Aunque en
cualquier medio los
fotones sólo existen en el vacío existente entre las
partículas de dicho medio y viajando a la
velocidad c, la luz globalmente avanza por ese medio
material a una velocidad inferior, porque "en cada
relevo" (en cada interacción fotón-materia), se
consume tiempo. Cuantas mas interacciones se produzcan
más tiempo se consume entre todas ellas y menor es la
velocidad de la luz en ese medio (mayor es el índice de refracción, n,
del mismo). |
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Para
completar esta descripción es muy importante tener en cuenta que,
a medida que la luz avanza y va interaccionando con
algunas partículas del medio, los procesos de
des-excitación de esas partículas implican re-emisiones de
los nuevos fotones en todas las direcciones. Esto no significa que cuando se considera el fenómeno
global todas las direcciones tengan la misma
probabilidad de indicar el "camino que sigue la luz".
En primer lugar, porque muchos fotones
simplemente no interaccionan con ninguna partícula y siguen
"su camino".
En segundo lugar, porque en los procesos
de interacción luz-materia se han de cumplir la
conservación de la energía y la conservación del momento
lineal. El hecho de que en el proceso global (interacción
entre el haz de luz y la red de partículas), se
conserve el momento lineal trae como consecuencia que el
rayo luminoso tenga una determinada dirección. |
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Esta descripción de la propagación de la
luz en medios materiales ayuda a entender por qué
podemos "ver rayos luminosos" bajo
determinadas condiciones, como, por ejemplo, el
rayo de luz láser roja en la
fotografía adjunta (hecha por alumnos de
Bachillerato en el IES
"Leonardo da Vinci" de Alicante) dentro del
recipiente. Dicho recipiente contenía agua en la
que se había disuelto una cantidad muy pequeña de
leche (para propiciar la producción de muchas
interacciones entre los fotones y las moléculas
de la leche disuelta). Como esas moléculas de
leche reemiten luz roja en todas las direcciones
podemos "ver el rayo de luz" dentro
del recipiente, pero no fuera (antes y después en el aire)
porque ahí apenas se producen interacciones entre los fotones y
las (escasas) partículas
del aire. |
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Con estos conceptos
en la mano pasamos a explicar la transparencia u
opacidad de
los materiales: Un material es transparente para
una determinada radiación cuando casi ninguno de los fotones que la
componen interacciona con partículas de ese material.
En cambio, el material es opaco para una determinada radiación
cuando una mayoría de los fotones son absorbidos (su energía se
convierte en energía interna del material, de modo que el material
se calienta) y la mayoría de los que son reemitidos viajan en
sentido opuesto o diferente al que tienen cuando inciden, lo que,
globalmente, impide a
la radiación avanzar por el interior del material. |
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Puesto que la
capacidad de las partículas del medio para absorber y reemitir
fotones depende de que la energía de cada uno de esos fotones
sea del orden de magnitud de alguno de los saltos de
energía permitidos por las partículas de dicho medio, los materiales pueden ser transparentes para
algunas
frecuencias de la luz y opacos para otras. Por
ejemplo, el vidrio de una ventana ordinaria es bastante transparente
a la luz blanca, y bastante opaco
a la luz ultravioleta (UV). Por eso podemos ver lo que hay al
otro lado de una
ventana, pero no nos ponemos morenos tomando el sol a través de
ella. |
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Hemos
dicho que el vidrio es bastante, pero no totalmente, transparente
para la luz
blanca, porque siempre hay una parte de
la energía de esa luz blanca que interacciona con él
y es absorbida. Se puede comprobar en vidrios muy
gruesos o, también, apilando varias capas de ellos. A
medida que aumenta el grosor, la luz que se transmite al
otro lado va cambiando de blanca a verde (que
corresponde a la luz menos absorbida), de verde a verde
más y más oscuro y, finalmente, sería negro (no se
transmitiría nada). Esta es también la razón por la
que vemos los bordes de los vidrios de
color verdoso, como
se observa en la fotografía adjunta. Al mirar hacia el
borde, llega a nuestro ojos luz que ha tenido que
atravesar longitudinalmente todo el vidrio. |
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Cuando la luz solar incide sobre una ventana, el
vidrio se
calienta un poco por este motivo y mucho más porque, además de
algo de luz blanca, el vidrio absorbe muy eficientemente luz UV,
incrementándose su energía interna. |
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