La luz

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La luz ha sido objeto de estudio desde la antigüedad. Empédocles propuso que la vista ocurría gracias a una interacción entre los rayos emitidos por los ojos y los provenientes de fuentes externas como el Sol. Euclides, en el siglo III a. C., estableció que la luz viajaba en línea recta y formuló las leyes de la reflexión. Lucrecio, influenciado por la teoría atómica, sugirió que la luz y el calor estaban formados por partículas diminutas que se desplazaban a gran velocidad. En la India clásica, algunas escuelas filosóficas describieron la luz como un flujo de partículas, mientras que los budistas la asociaban con destellos momentáneos de energía.

Durante la Edad de Oro del Islam, el científico Alhacén (Ibn al-Haytham) revolucionó el estudio de la óptica con su Libro de Óptica en el siglo XI. Basándose en la experimentación, refutó la teoría de la emisión ocular y demostró que la visión ocurre cuando la luz entra en el ojo. Fue el primero en describir el funcionamiento de la cámara oscura, demostrando cómo una imagen externa se proyecta invertida dentro de un espacio cerrado a través de un pequeño orificio. Su enfoque sistemático influyó en el desarrollo del método científico, ya que enfatizó la importancia de la observación y la experimentación para validar teorías.

Figura 1. Ibn al-Haytham (965-1040), también conocido como Alhacén, fue un matemático, físico y astrónomo árabe nacido en Basora, en la actual Irak. Es considerado el padre de la óptica moderna debido a sus contribuciones fundamentales en el estudio de la luz y la visión. Su obra más influyente, El Libro de la Óptica, revolucionó la comprensión de cómo percibimos el mundo, refutando la idea de que la luz emanaba de los ojos y estableciendo en su lugar que los objetos reflejan la luz que luego es captada por el ojo. Ibn al-Haytham desarrolló el método experimental, sentando bases para la ciencia moderna. Investigó la refracción y la reflexión, describió la cámara oscura y estudió la propagación de la luz en medios distintos. Además de sus aportes en óptica, trabajó en geometría, astronomía y mecánica. Su influencia llegó a Europa a través de traducciones latinas en la Edad Media, influyendo en científicos como Kepler y Newton. Su enfoque basado en la observación y el experimento consolidó su legado como una de las figuras más importantes del pensamiento científico medieval.

En el siglo XVII, René Descartes propuso una teoría mecánica de la luz y formuló leyes de refracción, aunque asumió erróneamente que la luz se desplazaba más rápido en medios densos. Pierre Gassendi retomó la idea de la luz como corpúsculos, influyendo en Isaac Newton, quien en 1675 postuló la teoría corpuscular de la luz. Según Newton, la luz estaba compuesta de partículas que se desplazaban en línea recta y explicaban fenómenos como la reflexión. Sin embargo, su modelo no lograba justificar completamente la refracción y requería suposiciones incorrectas sobre la aceleración de la luz en medios densos.

De manera simultánea, Robert Hooke y Christiaan Huygens desarrollaron una teoría ondulatoria de la luz. Huygens, en 1690, planteó que la luz se propagaba como ondas en un medio hipotético llamado éter luminífero. A principios del siglo XIX, Thomas Young confirmó la naturaleza ondulatoria mediante un experimento de interferencia, demostrando que la luz podía superponerse como las ondas de agua. Augustin-Jean Fresnel profundizó en esta teoría y, con el apoyo de Siméon Denis Poisson, logró desplazar la teoría corpuscular de Newton.

Figura 2. La longitud de onda (λ) medida en metros y modificadores decimales y la frecuencia de la onda (f) medida en 1s^-1 o hertzios son parámetros inversos, (arriba) tenemos una onda de alta longitud pero de baja frecuencia, mientras que abajo tenemos una onda de baja longitud y alta frecuencia. Para la radiación electromagnética, a mayor frecuencia mayor energía asociada.

Las ondas son perturbaciones vibratorias que transmiten energía a través de un medio o el vacío. Se caracterizan por su longitud de onda ($\lambda$), que es la distancia entre dos puntos idénticos en ondas sucesivas; su frecuencia ($f$), que indica el número de ondas que pasan por un punto por segundo; y su amplitud, que mide la distancia desde la línea media hasta el pico o el valle. Las ondas pueden clasificarse en mecánicas, que requieren un medio material para propagarse, y electromagnéticas, que pueden viajar incluso en el vacío. Además, las ondas pueden ser viajeras, si se desplazan en una sola dirección, o estacionarias, si resultan de la superposición de dos ondas en sentido opuesto.

Las ondas mecánicas incluyen fenómenos como las ondas de sonido y las ondas sísmicas. En estas, la propagación ocurre debido a la interacción entre partículas en un medio, generando variaciones de presión y deformación. Por ejemplo, una onda de agua se produce cuando una perturbación, como una piedra cayendo, desplaza las moléculas del agua y transmite la energía en forma de movimiento periódico. En estos casos, la velocidad de la onda depende del medio en el que se propaga y de la energía inicial de la perturbación.

Figura 3. El espectro electromagnético es la clasificación de todas las formas de radiación electromagnética según su longitud de onda y frecuencia. Abarca desde las ondas más energéticas y de menor longitud, como los rayos gamma, hasta las ondas de radio, que poseen longitudes de onda mucho mayores y menor energía. En un extremo del espectro, los rayos gamma tienen longitudes de onda extremadamente cortas, del orden de picómetros, y son producidos por procesos nucleares y cósmicos. Son altamente penetrantes y pueden causar ionización en la materia. Le siguen los rayos X, utilizados en imágenes médicas debido a su capacidad para atravesar tejidos blandos pero no huesos. Más allá de los rayos X se encuentra la luz ultravioleta (UV), emitida por el Sol y responsable del bronceado y las quemaduras en la piel. A continuación, el espectro visible comprende las longitudes de onda perceptibles por el ojo humano, desde el violeta (400 nm) hasta el rojo (700 nm). Luego, la radiación infrarroja (IR) se asocia con el calor y es utilizada en aplicaciones térmicas y telecomunicaciones. Las microondas y las ondas de radio, con longitudes de onda que pueden extenderse desde milímetros hasta kilómetros, se emplean en telecomunicaciones, radares y transmisión de datos en diversas tecnologías modernas.

Las ondas electromagnéticas surgen de la interacción entre los campos eléctricos y magnéticos y no requieren un medio material para propagarse. Se clasifican según su frecuencia y longitud de onda, formando el espectro electromagnético, que abarca desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Una de las regiones más importantes de este espectro es la luz visible, que comprende longitudes de onda entre aproximadamente 400 y 750 nm. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz ($c$), que es de $2.998 \times 10^8 \, {\color{purple}{\textbf{m/s}}}$ en el vacío. La ecuación fundamental que relaciona la velocidad, la frecuencia y la longitud de onda es $c = \lambda f$, lo que indica que cuanto mayor sea la frecuencia de una onda, menor será su longitud de onda.

La percepción del color se debe a la interacción de la luz con los objetos y la forma en que estos reflejan, absorben o transmiten ciertas longitudes de onda. Un objeto aparece rojo porque absorbe la mayoría de las longitudes de onda de la luz blanca y refleja principalmente la luz roja. De manera similar, un objeto negro absorbe casi toda la luz incidente, mientras que un objeto blanco la refleja en todas sus longitudes de onda. Este fenómeno se explica mediante las propiedades de la radiación electromagnética y su interacción con la materia.

La luz es una manifestación del espectro electromagnético, y su estudio ha revelado que no siempre se presenta de manera continua. A principios del siglo XIX, Joseph von Fraunhofer observó que el espectro solar contenía líneas oscuras en ciertas longitudes de onda. Estas líneas, conocidas como líneas de Fraunhofer, indicaban que ciertos elementos absorbían parte de la luz en su trayecto hacia la Tierra.

A finales del siglo XIX, el desarrollo de tecnología capaz de operar con gases a bajas presiones permitió estudiar con mayor precisión la emisión de luz en distintas condiciones. Experimentos con tubos de descarga, como los tubos de Crookes, revelaron que los gases sometidos a altos voltajes no solo emitían rayos catódicos, sino que también producían luz visible. Cuando esta luz se analizaba con un espectrómetro, se descubrió que no formaba un espectro continuo, sino un conjunto de líneas brillantes en ciertas longitudes de onda, en un patrón único para cada elemento.

Figura 4. La figura muestra los espectros de emisión de los elementos hidrógeno, helio, litio, oxígeno, carbono, nitrógeno y neón en el rango visible del espectro electromagnético. Cada elemento exhibe un conjunto único de líneas de colores brillantes sobre un fondo negro, representando las longitudes de onda específicas de la luz emitida cuando sus electrones regresan a niveles de energía inferiores. El hidrógeno presenta líneas bien definidas, destacando la prominente línea roja en 656 nm y otras en azul y violeta. El helio muestra múltiples líneas en amarillo, verde y violeta. El litio tiene líneas rojas e intensas en el naranja. El oxígeno y el nitrógeno presentan líneas complejas en varias regiones del espectro, mientras que el carbono muestra líneas en azul y rojo. Finalmente, el neón despliega un espectro característico dominado por intensas líneas rojas y anaranjadas, explicando su uso en luces publicitarias.

Lo más sorprendente fue que estas líneas de emisión coincidían de manera inversa con las líneas oscuras de Fraunhofer en el espectro solar. Es decir, las mismas longitudes de onda que aparecían como ausentes en el espectro del Sol eran las mismas que los gases excitados emitían al ser estimulados en laboratorio. Esto confirmó que los elementos presentes en la atmósfera solar estaban absorbiendo esas longitudes de onda, validando la conexión entre la luz emitida por los gases excitados y la luz absorbida por los gases fríos.

Cada elemento químico posee un conjunto único de líneas espectrales, lo que los convierte en una especie de "huella digital" atómica. Cuando un gas excitado emite luz, esta se descompone en un patrón de colores específicos, formando un espectro de emisión. Por otro lado, cuando una fuente de luz blanca atraviesa un gas frío, los átomos del gas absorben ciertas longitudes de onda, dejando un patrón de líneas oscuras sobre el fondo de colores, conocido como espectro de absorción.

Estos espectros permiten identificar la composición química de distintos materiales, desde sustancias en la Tierra hasta estrellas distantes. Por ejemplo, el helio fue detectado en el Sol mediante este método antes de ser descubierto en nuestro planeta. Además, la espectrometría moderna se utiliza en estudios ambientales, control de calidad de alimentos y análisis de materiales.

Figura 5. Tabla periódica de los espectros de emisión. Los espectros no son periódicos, sin embargo son únicos de cada elemento, por lo que funcionan como huellas digitales o un código de barras cósmico, gracias a ellos podemos saber de qué están hechas las estrellas de otros  mundos .

El hecho de que la luz emitida o absorbida no sea arbitraria, sino que esté restringida a ciertos colores específicos, demuestra que los procesos de emisión y absorción de luz siguen reglas bien definidas. Esto ha permitido el desarrollo de técnicas avanzadas de análisis químico y ha sido clave para comprender mejor la interacción entre la luz y la materia.

El descubrimiento de esta relación entre emisión y absorción permitió extender el análisis espectral a numerosos ámbitos científicos. Gracias a ello, se han identificado los elementos presentes en estrellas lejanas y se ha perfeccionado la espectrometría como una herramienta esencial en química y física. Esta conexión también evidenció una brecha en la comprensión tradicional de la luz basada en las teorías clásicas, un indicio de que aún faltaba mucho por descubrir sobre la naturaleza de la radiación electromagnética y su interacción con la materia.

Figura 6. Joseph von Fraunhofer (1787-1826) fue un astrónomo, óptico y físico alemán, pionero de la espectrometría y creador del espectroscopio. Quedó huérfano a los once años y trabajó como aprendiz de cristalero. En 1801, sobrevivió al derrumbe del taller donde laboraba, siendo rescatado por el príncipe elector de Baviera, Maximiliano IV José, quien luego apoyó su educación. Tras ocho meses de estudios, Fraunhofer ingresó al Instituto de Óptica de la abadía de Benediktbeuern, donde perfeccionó la fabricación de cristal óptico y desarrolló un método preciso para medir la dispersión. En 1818 asumió la dirección del Instituto, elevando la calidad de la óptica en Baviera, superando a Inglaterra en esta industria. Sus innovaciones transformaron la óptica y sentaron las bases de la espectrometría.