La luz

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La luz es una forma de radiación electromagnética capaz de transportar energía a través del espacio. En sentido estricto, la palabra suele emplearse para designar la pequeña región del espectro electromagnético que puede detectar el ojo humano, aproximadamente entre 400 y 750 nm. Sin embargo, desde la física moderna, la luz pertenece a una familia mucho más amplia que incluye las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Todas estas radiaciones comparten una misma naturaleza física y se diferencian principalmente por su frecuencia, su longitud de onda y la cantidad de energía que transportan.

Figura 1. [Ibn al-Haytham], conocido como Alhacén, fue un científico medieval considerado fundador de la óptica experimental. Demostró que la visión ocurre cuando la luz entra en los ojos, estudió la reflexión, la refracción y la cámara oscura. Su combinación de matemáticas, observación y experimentación influyó profundamente en la ciencia europea y anticipó el método científico moderno.

El estudio de la luz resulta fundamental para la química, porque gran parte de la información sobre los átomos y las moléculas procede de la radiación que estos emiten, absorben, reflejan o dispersan. Los electrones no pueden observarse directamente como se observa una piedra o una célula; en cambio, podemos estudiar sus cambios de energía analizando la luz asociada con ellos. De esta manera, la luz actúa como una especie de mensajera entre la materia y el observador, permitiendo conocer la estructura electrónica, la composición de sustancias, la temperatura de estrellas, la concentración de soluciones y numerosos procesos químicos.

Figura 2. [La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f)] son magnitudes inversamente proporcionales. Una onda larga presenta baja frecuencia, mientras una onda corta posee alta frecuencia. En la radiación electromagnética, una mayor frecuencia implica mayor energía por fotón. Estas relaciones permiten comprender y ordenar las diferentes regiones del espectro electromagnético.

Historia del estudio de la luz

La luz ha sido objeto de reflexión desde la Antigüedad. Empédocles propuso que la visión ocurría mediante una interacción entre rayos emitidos por los ojos y rayos procedentes de fuentes externas, como el Sol. Aunque esta idea era incorrecta, intentaba explicar por qué solo vemos los objetos cuando existe iluminación. Euclides, en el siglo III a. C., desarrolló una descripción geométrica de la óptica y estableció que los rayos luminosos se desplazaban en líneas rectas. También formuló relaciones sobre la reflexión, mostrando que el ángulo con el que la luz llega a una superficie es igual al ángulo con el que se aleja.

Lucrecio, influido por el atomismo, sostuvo que la luz y el calor estaban formados por partículas diminutas que viajaban rápidamente. En la India clásica, algunas escuelas filosóficas describieron la luz como un flujo de partículas, mientras que ciertas tradiciones budistas la relacionaron con destellos momentáneos de energía. Estas explicaciones no eran teorías experimentales en el sentido moderno, pero muestran que desde muy temprano existió una discusión entre dos posibilidades: la luz como flujo de partículas o la luz como propagación continua semejante a una onda.

Durante la Edad de Oro del Islam, Alhacén, también conocido como Ibn al-Haytham, transformó profundamente el estudio de la óptica. En su Libro de óptica, escrito durante el siglo XI, rechazó la idea de que los ojos emitieran rayos y demostró que la visión ocurre cuando la luz procedente de los objetos entra en el ojo. Sus investigaciones se basaron en observaciones, experimentos y razonamientos geométricos. También describió con precisión la cámara oscura, mostrando que una imagen externa puede proyectarse invertida dentro de una habitación oscura cuando la luz atraviesa un pequeño orificio. Su método sistemático fue una contribución importante al desarrollo posterior del pensamiento científico.

En el siglo XVII, René Descartes propuso una explicación mecánica de la luz y estudió la refracción, es decir, el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al pasar de un medio a otro. Aunque sus relaciones matemáticas fueron útiles, asumió erróneamente que la luz se desplazaba más rápido en medios densos. Pierre Gassendi retomó la idea de la luz como corpúsculos e influyó en Isaac Newton. Hacia 1675, Newton defendió una teoría corpuscular según la cual la luz estaba formada por partículas emitidas por las fuentes luminosas. Este modelo explicaba con facilidad la propagación rectilínea y la reflexión, pero encontraba dificultades para describir la refracción, la interferencia y otros fenómenos.

Figura 3. [La dispersión de la luz] ocurre cuando un prisma separa la luz blanca en colores. Dentro del vidrio, cada longitud de onda viaja a una velocidad diferente y se refracta con distinto ángulo. El violeta disminuye más su velocidad y se desvía más que el rojo. Al salir, los colores permanecen separados, formando un espectro visible característico.

De manera paralela, Robert Hooke y Christiaan Huygens desarrollaron una descripción ondulatoria. Huygens propuso que cada punto de una onda luminosa actuaba como fuente de nuevas ondas y que la luz se propagaba mediante un medio hipotético llamado éter luminífero. A comienzos del siglo XIX, Thomas Young realizó su célebre experimento de la doble rendija. Cuando la luz atravesaba dos aberturas pequeñas, producía una sucesión de franjas claras y oscuras. Este patrón solo podía explicarse mediante la interferencia: las ondas se reforzaban en algunos lugares y se anulaban en otros. Augustin-Jean Fresnel desarrolló matemáticamente esta teoría y demostró que la descripción ondulatoria explicaba con gran precisión la difracción y la polarización.

En el siglo XIX, James Clerk Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos mediante una teoría matemática. Sus ecuaciones mostraron que una perturbación de los campos eléctricos y magnéticos podía propagarse por el espacio como una onda y que su velocidad coincidía con la velocidad conocida de la luz. De esta manera, Maxwell concluyó que la luz era una onda electromagnética. Esta idea eliminó la necesidad de considerar la luz visible como un fenómeno aislado y permitió integrarla dentro de un espectro mucho más amplio de radiaciones.

La luz como onda

Una onda es una perturbación capaz de transportar energía sin trasladar de manera permanente la materia a través de todo el recorrido. Las ondas se describen mediante varios parámetros. La longitud de onda, simbolizada con la letra griega λ, es la distancia entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas, como dos crestas o dos valles. La frecuencia, simbolizada como f, indica cuántas oscilaciones completas pasan por un punto durante un segundo y se mide en hercios. La amplitud corresponde a la separación máxima entre la línea media y la cresta o el valle; en muchas ondas, una mayor amplitud se relaciona con una mayor cantidad de energía transportada.

Las ondas pueden clasificarse en mecánicas y electromagnéticas. Las ondas mecánicas necesitan un medio material para propagarse. El sonido, por ejemplo, viaja mediante compresiones y expansiones de las partículas del aire, del agua o de los sólidos. Las ondas sísmicas se desplazan a través de las capas terrestres y permiten estudiar el interior del planeta. En las ondas superficiales del agua, las moléculas no viajan desde el punto de origen hasta la orilla, sino que oscilan mientras la energía de la perturbación se propaga.

Figura 4. [El experimento de la doble rendija] muestra que las ondas de agua producen interferencia, mientras los proyectiles forman dos bandas. La luz y los electrones, incluso enviados individualmente, generan impactos puntuales que construyen franjas de interferencia. Cuando se detecta la trayectoria seguida, el patrón desaparece porque se pierde la coherencia cuántica y quedan rutas distinguibles, como en partículas clásicas macroscópicas.

Las ondas electromagnéticas, en cambio, no requieren un medio material. Se producen mediante oscilaciones acopladas de un campo eléctrico y un campo magnético, orientados perpendicularmente entre sí y también respecto de la dirección de propagación. Por esta razón pueden viajar a través del vacío, como ocurre con la luz procedente del Sol y de las estrellas. En el vacío, todas las ondas electromagnéticas se desplazan con una rapidez aproximada de 2.998 × 10⁸ m/s.

La relación entre la velocidad de la luz, su longitud de onda y su frecuencia se expresa mediante c = λ f, en esta relación, c representa la velocidad de la luz  en el vacío, λ la longitud de onda y f la frecuencia. Como c permanece constante en el vacío, la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales. Esto significa que una radiación con frecuencia alta posee una longitud de onda corta, mientras que una radiación con frecuencia baja posee una longitud de onda larga.

El espectro electromagnético

El espectro electromagnético organiza las radiaciones de acuerdo con su frecuencia o longitud de onda. En un extremo se encuentran las ondas de radio, que presentan longitudes de onda muy grandes y frecuencias relativamente bajas. Después aparecen las microondas, la radiación infrarroja, la luz visible, la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Estos últimos poseen longitudes de onda extremadamente pequeñas y frecuencias muy elevadas.

La luz visible constituye únicamente una franja estrecha del espectro electromagnético. Sus colores se ordenan aproximadamente desde el violeta, con menor longitud de onda y mayor frecuencia, hasta el rojo, con mayor longitud de onda y menor frecuencia. Entre ambos se encuentran el azul, el verde, el amarillo y el naranja. Aunque los límites pueden variar ligeramente según la fuente, suele considerarse que el espectro visible se extiende aproximadamente entre 400 y 750 nm.

Figura 5. [El espectro electromagnético] organiza todas las radiaciones según su frecuencia, longitud de onda y energía. Incluye ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Aunque todas viajan como ondas electromagnéticas, interactúan de manera distinta con la materia, permitiendo aplicaciones en comunicaciones, medicina, química y astronomía.

La percepción del color depende de la interacción entre la luz y la materia. Cuando la luz blanca incide sobre un objeto, algunas longitudes de onda pueden ser absorbidas y otras reflejadas. Un objeto aparece rojo porque refleja principalmente la luz correspondiente a esa región del espectro y absorbe muchas de las demás longitudes de onda. Un objeto negro absorbe gran parte de la radiación visible, mientras que uno blanco refleja una proporción amplia de todas las longitudes de onda. Los materiales transparentes permiten el paso de determinadas radiaciones, aunque pueden absorber otras.

También existen fenómenos de dispersión, en los cuales la luz cambia de dirección al interactuar con partículas o estructuras microscópicas. El color azul del cielo, por ejemplo, se relaciona con la dispersión más intensa de las longitudes de onda cortas por las moléculas de la atmósfera. De manera semejante, el efecto Tyndall permite observar el trayecto de un haz luminoso en un coloide porque las partículas dispersan la luz en diferentes direcciones.

Los espectros

Un espectro es la distribución de la radiación según sus longitudes de onda o frecuencias. Cuando la luz blanca atraviesa un prisma o una red de difracción, se separa en sus distintos colores. Si contiene todas las longitudes de onda visibles sin interrupciones, produce un espectro continuo, semejante a un arcoíris completo. Sin embargo, la luz emitida o absorbida por los átomos no siempre forma una banda continua.

A comienzos del siglo XIX, Joseph von Fraunhofer examinó con gran precisión la luz solar y observó numerosas líneas oscuras dentro del espectro continuo. Estas líneas, llamadas líneas de Fraunhofer, indicaban que ciertas longitudes de onda estaban ausentes o presentaban menor intensidad. En ese momento todavía no se comprendía completamente su origen, pero más tarde se descubrió que eran producidas por la absorción selectiva de luz en los gases presentes en la atmósfera solar.

Figura 6. [Los espectros] de emisión aparecen cuando átomos excitados liberan fotones y producen líneas brillantes. Los espectros de absorción surgen cuando una sustancia retiene ciertas frecuencias, dejando líneas oscuras. Cada elemento presenta un patrón propio relacionado con sus niveles energéticos. Estos espectros permiten identificar sustancias, medir concentraciones y estudiar la composición de estrellas, gases, materiales y otros sistemas químicos.

El desarrollo de tubos de descarga permitió estudiar gases a bajas presiones sometidos a altos voltajes. En estos dispositivos, la energía eléctrica excitaba los átomos del gas y hacía que emitieran luz. Cuando esta radiación se analizaba mediante un espectroscopio, no aparecía un arcoíris continuo, sino una serie de líneas brillantes separadas. Cada línea correspondía a una longitud de onda específica y cada elemento producía un patrón particular.

Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen demostraron que los elementos químicos podían identificarse mediante sus líneas espectrales. Cuando un gas caliente y excitado emite luz, genera un espectro de emisión formado por líneas brillantes sobre un fondo oscuro. Cuando una fuente de luz continua atraviesa un gas relativamente frío, ciertas longitudes de onda son absorbidas y se obtiene un espectro de absorción, formado por líneas oscuras sobre un fondo continuo.

Las líneas de emisión y absorción de un mismo elemento aparecen en las mismas longitudes de onda. Esto significa que los átomos absorben precisamente las radiaciones que también pueden emitir bajo condiciones adecuadas. Así, una línea brillante en un espectro de emisión corresponde a una línea oscura en el espectro de absorción del mismo elemento.

Cada elemento posee una especie de huella digital espectral. El hidrógeno presenta un conjunto de líneas diferente al del sodio, el mercurio o el neón. Gracias a este principio fue posible identificar elementos presentes en estrellas distantes sin necesidad de tomar muestras directas. El helio, por ejemplo, fue detectado inicialmente en el espectro solar antes de ser aislado en la Tierra.

En la actualidad, la espectrometría se utiliza para analizar la composición de materiales, medir concentraciones, detectar contaminantes, estudiar alimentos, diagnosticar enfermedades y examinar la atmósfera de planetas y estrellas. Sin embargo, las líneas espectrales plantearon un problema profundo para la física clásica: ¿por qué los átomos solo emiten o absorben determinadas frecuencias y no cualquier valor posible?

El problema del modelo clásico

El modelo de Rutherford describía a los electrones como partículas que se movían alrededor del núcleo. De acuerdo con el electromagnetismo clásico, una carga acelerada debe emitir radiación continuamente. Un electrón en una trayectoria curva estaría acelerado, por lo que debería perder energía de manera progresiva, acercarse al núcleo y finalmente caer sobre él. Durante esta caída emitiría una sucesión continua de frecuencias.

Sin embargo, los átomos reales son estables y sus espectros no son continuos. Cada elemento emite únicamente determinadas líneas. La luz observada en los espectros demostraba que la energía atómica no podía variar de cualquier manera. Existían valores permitidos y valores prohibidos. Esta contradicción fue una de las señales más importantes de que la física clásica era insuficiente para describir el mundo atómico.

La luz como partícula

A finales del siglo XIX aparecieron otros fenómenos que tampoco podían explicarse completamente mediante la teoría ondulatoria clásica. Uno de ellos fue la radiación emitida por los cuerpos calientes. Los modelos clásicos predecían que un cuerpo debería emitir cantidades ilimitadas de energía en frecuencias altas, resultado absurdo conocido como la catástrofe ultravioleta.

En 1900, Max Planck propuso que la materia no emitía ni absorbía energía de manera continua, sino en pequeñas porciones discretas llamadas cuantos. La energía de cada cuanto dependía de la frecuencia de la radiación: E = h f. En esta expresión, E representa la energía, f la frecuencia y h la constante de Planck. La propuesta implicaba que una radiación de frecuencia alta transportaba paquetes de energía mayores que una radiación de frecuencia baja. Planck consideró inicialmente esta cuantización como una estrategia matemática, pero pronto se convirtió en la base de una nueva física.

Figura 7. [Los espectros de emisión] muestran las líneas luminosas características que emite cada elemento químico cuando sus electrones regresan a niveles de menor energía. Hidrógeno, helio, litio, carbono, oxígeno, nitrógeno y neón presentan patrones únicos de longitudes de onda. Estas huellas espectrales permiten identificar elementos en laboratorios, industrias y objetos astronómicos.

En 1905, Albert Einstein aplicó la idea de Planck al efecto fotoeléctrico. Este fenómeno ocurre cuando la luz incide sobre ciertos metales y provoca la expulsión de electrones. La física clásica predecía que una luz muy intensa debería extraer electrones sin importar su frecuencia. No obstante, los experimentos mostraban que existía una frecuencia mínima: por debajo de ella, ningún electrón era emitido, aunque la luz fuera muy intensa.

Einstein explicó que la luz estaba formada por paquetes de energía que posteriormente recibieron el nombre de fotones. Cada fotón entregaba su energía a un electrón. Si esa energía era suficiente para superar la fuerza que mantenía al electrón unido al metal, el electrón era expulsado. Aumentar la intensidad de la luz significaba aumentar el número de fotones, pero no la energía de cada uno. En cambio, aumentar la frecuencia incrementaba la energía individual de los fotones.

Este comportamiento mostraba que la luz poseía propiedades semejantes a las de una partícula. Los fotones transportan energía y cantidad de movimiento, pueden transferir impulso a la materia y producir efectos localizados. Sin embargo, la interferencia y la difracción demostraban claramente que la luz también se comportaba como una onda.

Dualidad onda-partícula

La física moderna concluyó que la luz presenta una dualidad onda-partícula. No es una onda clásica ni una partícula clásica en el sentido cotidiano. Dependiendo del experimento realizado, puede manifestar propiedades ondulatorias, como interferencia, difracción y polarización, o propiedades corpusculares, como transferencia discreta de energía en el efecto fotoeléctrico.

La dualidad no significa que la luz cambie arbitrariamente entre dos naturalezas independientes. Significa que los modelos clásicos de onda y partícula son aproximaciones parciales de una realidad cuántica más profunda. La luz se describe mediante un estado cuántico que puede propagarse e interferir como una onda, pero que intercambia energía con la materia en cantidades discretas llamadas fotones.

Figura 8. [Cecilia Payne-Gaposchkin] demostró que el hidrógeno y el helio son los principales componentes de las estrellas, revolucionando la astrofísica moderna. Su investigación sobre los espectros estelares explicó que las diferencias observadas dependen principalmente de la temperatura. Fue la primera mujer en dirigir un departamento de Harvard y una pionera de la astronomía del siglo XX.

Esta nueva comprensión permitió resolver parte del problema de los espectros atómicos. Si la luz solo puede emitirse o absorberse en cuantos específicos, entonces las líneas espectrales deben corresponder a cambios concretos de energía dentro del átomo. Sin embargo, todavía era necesario explicar por qué los electrones solo podían poseer ciertos valores energéticos y cómo se organizaban alrededor del núcleo.

La respuesta surgiría con el desarrollo de la teoría cuántica, el modelo de Bohr y, posteriormente, la mecánica cuántica. En la siguiente lección veremos cómo la cuantización de la energía permitió abandonar la imagen clásica del electrón orbitando continuamente y construir una descripción más precisa de la estructura electrónica del átomo.

Figura 9. [Joseph von Fraunhofer] fue un físico y óptico alemán que descubrió las líneas oscuras del espectro solar, hoy llamadas líneas de Fraunhofer. Sus estudios mejoraron la fabricación de instrumentos ópticos y sentaron las bases de la espectroscopia moderna. Sus descubrimientos permitieron identificar elementos químicos en el Sol, las estrellas y otras fuentes de luz.

Referencias

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Como textos modernos de apoyo para un libro de química de bachillerato también son muy recomendables:

Atkins, P., & Jones, L. (2023). Principios de química: Los caminos del descubrimiento (8.ª ed.). Editorial Médica Panamericana.

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C., Woodward, P., & Stoltzfus, M. (2024). Química: La ciencia central (15.ª ed.). Pearson.

Chang, R., & Goldsby, K. A. (2023). Química (14.ª ed.). McGraw-Hill.

Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2021). Química general: Principios y aplicaciones modernas (12.ª ed.). Pearson.