La luz y la dispersión de Rayliegh

La luz siempre nos ha regalado espectáculos tan maravillosos en la naturaleza que muchas veces volteamos al cielo y vemos el tono azulito que refleja o nos maravillados con lo roja que se pone la Luna durante un eclipse lunar, se ven muy bonitos estos fenómenos, ¿no crees? Pero… ¿Alguna vez te has detenido a pensar por qué ocurren?

Primeramente… ¿Qué es la luz?

Hasta la época de Isaac Newton, muchos científicos creían que la luz eran partículas, llamadas corpúsculos, emitidas por fuentes luminosas. Sin embargo, alrededor de 1665 fue cuando empezaron a descubrirse las propiedades ondulatorias de la luz. Así, en 1873 el físico escocés James Clerk Maxwell predijo la existencia de ondas electromagnéticas, asumiendo después que la luz es una de ellas. Y en 1887 Heinrich Hertz demostró que en verdad la luz es una onda electromagnética.

Las ondas electromagnéticas irradian energía. La distribución de esta energía se encuentra en el llamado espectro electromagnético, que clasifica las ondas de acuerdo su energía, donde entre más pequeña sea la longitud de onda, más energética será (ley de desplazamiento de Wien).

En la imagen anterior podemos ver el espectro electromagnético. Las ondas con una longitud más larga (como las ondas de microondas, las de radio o las del infrarrojo), tienen una frecuencia más pequeña. En medio podemos ver el espectro visible, que es la región del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir, es decir, los colores, y van desde los 380 a los 750 nanómetros aproximadamente. Por último, se encuentran las longitudes de onda más cortas (el ultravioleta, rayos x y rayos gamma), que tienen una frecuencia más grande, además que son más energéticos.

Como puedes ver, los colores son una representación de la radiación electromagnética de la luz. La luz blanca (como la del Sol), es en realidad una mezcla de todas las longitudes de onda del espectro visible. Cuando dicha luz ilumina a algún cuerpo, éste refleja algún color o combinación de colores, absorbiendo todos los demás. El color blanco emite todo los colores y el color negro absorbe todos sin emitirlos. La luz blanca también es llamada luz policromática, que es aquella que se compone por luz de varias longitudes de onda (luz monocromática).

Dispersion de Rayliegh

Algo increíble que pasa con la luz es que puede ser descompuesta. Esto ocurre cuando un rayo de luz policromática se refracta en algún medio, quedando separados los colores que la componen. Un ejemplo de este fenómeno es el famoso experimento con los prismas que hizo Isaac Newton. Por medio de un prisma hizo pasar un rayo de luz blanca en una habitación oscura. Cuando la luz atravesaba el prisma, ésta se descompuso en los colores que la forman (los colores del arcoíris), y ¡voilà! Éste es el mismo procedimiento por el cual se forman los arcoíris, las gotas de lluvia actúan como un prisma y descomponen la luz.

Vía: Naukas

Cuando la luz se descompone también puede ser dispersada al chocar con algún medio (como partículas pequeñas). Cuando tenemos partículas más pequeñas que la longitud de la onda con la que choca, entonces ocurre la llamada dispersion de Rayliegh. Ésta nos dice que la intensidad de la dispersión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz dispersada. Pero… ¿Esto qué significa? Bueno, quiere decir que entre más grande sea la longitud de onda, menor será la intensidad de la dispersión, y entre menor sea la longitud mayor será la dispersión.

Entonces, para los colores como el violeta y el azul, que tienen las longitudes más pequeñas del espectro visible, la intensidad de la dispersión va a ser mayor que para colores como el naranja o el rojo, con longitud de onda más larga. Es por esta razón que vemos el cielo azul, ya que la luz del Sol choca con las partículas que se encuentran en la atmósfera y ahí se dispersa de acuerdo a esta relación.

Vía: Aleh Sánchez y Carlos Ruiz

En la imagen anterior podemos ver un ejemplo de este fenómeno. Se utilizaron dos láseres con diferentes longitudes (azul y rojo) y se hicieron pasar por gelatina, que es un coloide, es decir, que sus partículas son muy pequeñas, mucho más pequeñas que las longitudes de onda de los láseres. Al pasar por éste podemos observar que el haz de luz del láser azul se dispersa más que el haz rojo, donde actúa la dispersión de Rayliegh.

Aunque… Si el esparcimiento de Rayliegh es mayor para longitudes cortas… ¿Por qué vemos el cielo azúl y no violeta? Bueno, esto es debido a dos fenómenos. Primeramente, el espectro de la luz solar muestra un máximo de intensidad para el color azul. Y por otra parte, la capacidad del ojo humano es máxima para el color verde en condiciones de alta luminosidad. Estos dos factores hacen que veamos el cielo azul.

Otros efectos del esparcimiento de Rayliegh: la Luna roja

Otro fenómeno increíble que nos brinda esta dispersión es la llamada Luna roja o Luna de sangre que se da cuando hay un eclipse lunar. En este caso, la Tierra se interpone entre la Luna y el Sol, impidiendo el paso de los rayos de luz hacia la Luna, haciendo que ésta se oscurezca. Lo interesante ocurre porque la luna se pone roja. ¿Por qué sucede esto?

Photo by Griffin Wooldridge on Pexels.com

Lo que pasa es que los rayos de luz provenientes del Sol atraviesan primero la Tierra. Al hacerlo, pasan por la atmósfera de ésta, donde la luz se dispersa, y por la relación anterior, los colores con una longitud de onda más pequeña se dispersan más en la atmósfera, por lo que sólo sobreviven los colores naranjaditos y rojizos. Éstos siguen su trayectoria hacia la Luna, donde se reflejan. Por eso se ve roja. Sucede lo mismo con los atardeceres, la luz recorre mayor distancia en la atmósfera y sólo sobreviven los colores naranjas, regalándonos los majestuosos atardeceres que tanto nos gustan.

Esta clase de fenómenos hacen que la ciencia sea muy interesante y divertida, así que cuando veas un atardecer o la Luna roja de los eclipses lunares, acuérdate de los fenómenos que hay detrás de éstos, y por supuesto, no te olvides de sacarles fotos.

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