PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN MEDIOS NO VACÍOS: TRANSPARENCIA Y OPACIDAD

 

Una imagen nemotécnica sugerente 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 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".

 

Los dibujos adjuntos resumen esta metáfora: 1: Un fotón viaja a la velocidad c por el vacío existente entre una partícula que lo emitió y otra partícula otra que lo va a absorber. 2: Como resultado de esa absorción el fotón desaparece y la partícula salta a un estado excitado (de mayor energía). 3: Posteriormente, esa partícula puede "relajarse", emitiendo un nuevo fotón que "prosigue la carrera".

  

 

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 viajan a la velocidad c entre partícula y partícula, 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 más interacciones se produzcan más tiempo se consumirá entre todas ellas y menor será la velocidad de la luz en ese medio (mayor el índice de refracción, n, del mismo).
 

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". Al contrario, existe, para cada proceso, un camino más probable, que predice la física cuántica y que coincide con lo que indican las leyes ordinarias de la óptica, como, por ejemplo, la ley de la reflexión, la ley de la refracción, etc.
 

 

Esta descripción fotónica de la propagación de la luz en medios materiales ayuda a entender también por qué podemos "ver rayos luminosos" bajo determinadas condiciones, como, por ejemplo, el rayo de luz láser roja en la fotografía adjunta (tomada 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 unas gotitas 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 (incluyendo las que se dirigen hacia nuestros ojos) podemos "ver el rayo de luz" dentro del recipiente, pero no fuera (antes y después) porque ahí (en el aire) apenas se producen interacciones entre los fotones y las (escasas) partículas del aire.
 

Con estos conceptos se puede explicar también la transparencia u opacidad de los materiales. La transparencia de un material en un determinado rango de frecuencias ocurre cuando la energía de los fotones es significativamente diferente a la de cualquier posible salto energético en ese material. Entonces casi ninguno de los fotones que componen esa luz interacciona con partículas del mismo, y dicha luz atraviesa “de lado a lado” el material. En sentido contrario, la opacidad de un material en un determinado rango de frecuencias ocurre cuando una mayoría de los fotones son absorbidos (con lo que su energía se convierte en energía interna del material, que se calienta) y, entre los que son reemitidos, la mayoría viajan en sentido opuesto o diferente al que tienen cuando inciden, lo que globalmente implica que esa luz no puede atravesar el material.
 

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, en general los materiales resultan 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, a la vez, bastante opaco a la luz ultravioleta (UV). Por eso vemos lo que hay al otro lado de una ventana, pero no nos ponemos morenos tomando el sol a través de ella.
 

Hemos dicho que el vidrio es bastante transparente para la luz blanca. No lo es totalmente, porque siempre hay una parte de la energía de esa luz blanca que interacciona con él. Lo podemos comprobar fijándonos en vidrios muy gruesos o, también, apilando varias capas de ellos más delgados. 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 por el vidrio), de verde a verde más y más oscuro y, finalmente, sería negro (si no se transmitiera nada). Esta es la razón por la que vemos los bordes de los vidrios de color verdoso o azulado, como se observa en la fotografía adjunta. Al mirar hacia el borde, llega a nuestros ojos luz que ha tenido que atravesar longitudinalmente todo el vidrio.

 

 

Por otra parte, 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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