Existen muchas fuentes de luz, desde las que se manifiestan de forma natural o por medios físicos, hasta las que son provocadas por reacciones químicas.
La fuente de luz natural más antigua, que afecta de una u otra forma a los seres vivos y las plantas, es el Sol.
Le sigue el fuego, producido por reacciones químicas que tienen lugar durante la combustión.
El fuego fue el primer elemento independientemente del Sol, que utilizaron nuestros antepasados más remotos para alumbrarse y sobre todo para calentarse durante el invierno y cocer los alimentos.
Incluso hoy en día el fuego se continúa utilizando en muchos lugares del mundo subdesarrollado de la misma forma que se ha venido haciendo desde tiempos inmemoriales.
Lámpara Edison.
Durante miles de años el Sol y el fuego fueron los únicos elementos que utilizó el hombre para alumbrarse, hasta que a finales del siglo diecinueve Thomas A. Edison desarrolló y comercializó en los Estados Unidos de Norteamérica, la bombilla eléctrica incandescente como fuente de luz artificial.
A partir de ese momento histórico se comenzaron a crear otras fuentes artificiales de iluminación, como las potentes lámparas de arco de carbón, las lámparas fluorescentes, halógenas, de mercurio, de arco de sodio, metal halide (halogenuro metálico), etc.
Entre otras fuentes de luz artificial, se encuentra también el rayo láser, que aunque no se utiliza en alumbrado su haz de luz coherente y de alta energía se emplea ampliamente en diferentes dispositivos científicos y técnicos, incluyendo equipos electrodomésticos como los de sonido y vídeo.
En el mundo animal existen algunas especies, sobre todo marinas, que emiten luz mediante reacciones químicas que se producen en su propio cuerpo.
A ese fenómeno se le llama “bioluminiscencia” y se manifiesta mayormente en algunos microorganismos denominados dinoflagelados, que habitan en el mar y en especies mucho mayores que viven en grandes profundidades, también marinas.
Entre los contados casos de animales que se pueden encontrar en tierra firme y produzcan luz se encuentra, por ejemplo, la luciérnaga.
¿QUÉ ES LA LUZ?
La luz visible es una radiación comprendida dentro de una porción o sección del espectro electromagnético, que permite a los seres vivos ver los objetos que le rodean.
Desde el punto de vista de la física, la luz se manifiesta como:
Radiaciones de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y longitudes.
Partículas denominadas fotones.
ESPECTRO ELECTROMAGNETICA
El rango completo que ocupa la luz visible dentro del espectro electromagnético se extiende desde los 430 THz (terahertz) de frecuencia y 627 nm (nanómetro) de longitud de onda, hasta los 750 THz y 436 nm de longitud de onda.
(Un terahertz equivale a un billón de hertz (1012 = 1 000 000 000 000 Hz) y un nanómetro a la milmillonésima parte de un metro (10-9 = 0,000000001 m).
La luz blanca procedente del Sol y de la mayoría de las fuentes de luz artificial, se compone de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y longitudes de onda, y son las únicas de todo el espectro electromagnético que podemos ver.
Debido a la diferencia de frecuencias de los rayos que la integran, la luz blanca se considera incoherente.
DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ
Si hacemos pasar un rayo de sol (luz blanca) a través de un prisma, podremos observar que se descompone en los mismos colores que integran un arco iris.
En esta experiencia práctica, el rayo de luz blanca del Sol al atravesar el prisma, se descompone en seis colores, que van del rojo al violeta.
Como se puede apreciar en la tabla siguiente, cada uno de esos colores cuenta con su correspondiente longitud de onda fija y, por tanto, con diferentes frecuencias de ondas.
Colores de la luz blanca
Color Longitud de onda ( ) en nm
Rojo 627 – 770 (ondas de menor energía)
Naranja 589 – 627
Amarillo 566 – 589
Verde 495 – 566
Azul 436 – 495
Violeta 380 – 436 (ondas de mayor energía)
Cualquier onda electromagnética posee una determinada cantidad de energía que es inversamente proporcional a la longitud de la onda, es decir, a menor longitud de onda de luz visible, mayor será la propagación de energía.
Dada esa propiedad, un rayo láser puede generar energía suficiente para a cortar metales, láminas de plástico o sustituir el bisturí en operaciones quirúrgicas tan delicadas como la de la vista.
Al contrario de la luz blanca, cuyos rayos se consideran incoherentes por estar compuesta por ondas magnéticas de frecuencias y longitudes de onda diferentes, la luz que proporciona un dispositivo láser se considera "coherente", porque está compuesta por un rayo de luz de la misma frecuencia y longitud de onda, amplificado miles de veces para incrementar su energía.
Por ese motivo la luz del rayo láser es siempre monocromática, siendo la roja la más común y conocida, aunque existen láseres de otros colores.
En la tabla que se expone más arriba se puede apreciar que dentro del espectro de luz visible el color violeta posee más energía que el rojo, porque tiene una longitud de onda más corta.
La propagación de las ondas de luz constituye el fenómeno físico más rápido del universo, pues sus rayos se desplazan por el espacio, e incluso por el vacío, a una velocidad aproximada a los 300 mil kilómetros por segundo.
Esa velocidad tiende a disminuir cuando los rayos tienen que atravesar diferentes sustancias como el aire, el cristal o el agua.
En la medida que una sustancia, elemento o materia afecte la velocidad de propagación de las ondas de luz, así será la refracción que sufran sus rayos.
PRODUCCIÓN DE FOTONES
Como ya conocemos, las ondas de luz visible constituyen en sí una forma de energía.
En realidad la luz se compone de infinidad de partículas muy pequeñas, carentes de masa, denominada “fotones”.
Los átomos son los encargados de liberar fotones de luz, pero para que eso suceda alguno de sus electrones tienen que ser primeramente excitado.
En cualquier átomo los electrones giran siempre dentro de uno o más niveles de energía denominados órbitas, de forma similar a como giran los planetas alrededor del Sol.
Para que los electrones (con carga negativa) se mantengan girando en sus propias órbitas sin abandonarlas cambiando de un nivel de energía a otro, el núcleo del átomo (con carga positiva) ejerce una fuerte influencia para retenerlos.
Por tanto, resulta prácticamente imposible que un electrón por sí solo abandone la órbita en la que se mantiene girando para desplazarse a otro nivel de energía u órbita más externa.
Los electrones que giran en las órbitas más externas o alejadas del núcleo del átomo poseen mayor cantidad de energía que los que giran más cercanos a éste.
Como la influencia que en ese caso ejerce la atracción del núcleo sobre ellos es más débil, son estos los más propensos a abandonar su órbita.
No obstante, cuando un átomo pierde un electrón por influencia de cualquier factor externo, ya sea físico o químico, su tendencia natural es recuperarlo de inmediato para poder continuar manteniendo un equilibrio eléctrico neutro, es decir, con la misma cantidad de electrones (negativos), que de protones (positivos).
Para que se produzca un fotón de luz, es necesario que alguna partícula ajena al átomo choque con uno de sus electrones en movimiento.
Ese choque provocará que éste se excite, haciendo que abandone su correspondiente órbita y pase a ocupar, por breves instantes, otra órbita de un nivel superior de energía y más alejada del núcleo del átomo al cual pertenece.
La reacción inmediata del núcleo del átomo será atraer el electrón para incorporarlo de nuevo a su órbita original.
En el preciso instante que el electrón regresa a su órbita, la energía extra que adquirió al pasar de un nivel inferior a otro nivel superior de energía u órbita más externa, la libera en forma de fotón de luz.
Ya conocemos que la luz blanca se compone de rayos de diferentes colores, cada uno con su propia longitud de onda, frecuencia y cantidad de energía.
Por tanto, el color de la luz del fotón que emite el electrón cuando se reincorpora a su órbita original después de haber sido excitado, dependerá de la cantidad de energía que libere en ese momento, del elemento químico que le corresponde al átomo a que pertenece y el nivel de energía u órbita donde se encontraba éste girando en el momento que fue excitado (recordemos que los electrones que giran en las órbitas más cercanas al núcleo del átomo poseen menos energía que los que giran en las órbitas más alejadas).
El color de la luz que emita un fotón se corresponderá siempre con la frecuencia y longitud de onda propia de ese color y será perceptible para nuestra vista siempre y cuando se encuentre dentro del rango fijado para los rayos que cubren el espectro electromagnético de luz visible.
No obstante, existen también otros fotones que emiten rayos de luz invisibles para nuestro sentido de la vista y que son de uso muy común.
Entre estos se encuentran los rayos infrarrojos (IR) utilizado en comunicaciones inalámbricas, alarmas, mandos a distancia, etc. y los rayos ultravioletas, comúnmente conocidos como rayos UVA, muy empleados como bronceador de la piel.
Dentro del espectro de ondas electromagnéticas los rayos infrarrojos están situados antes del color de luz roja visible y los ultravioletas a continuación del color violeta de luz visible .
Este es, a grandes rasgos, el principio en el cual se basa la emisión de fotones de luz por los átomos.
En la práctica se utilizan diferentes técnicas para excitar los electrones, de forma que produzcan luz artificial.
