La luz II. El color en la naturaleza.

Como todo el mundo sabe, para observar un objeto necesitamos luz. Con luz podemos, en principio, observar y describir cualquier objeto, (excepto si éste es totalmente transparente, o si es negro y se encuentra sobre un fondo negro). Podemos ver los objetos porque la luz se refleja en ellos y llega hasta nuestros ojos. Sabemos que un espejo refleja la luz, ya que podemos ver nuestra cara reflejada en él, pero ¿un trozo de madera, una piedra o un trozo de acero también reflejan la luz?, ¿por qué objetos tan distintos reflejan la luz?, ¿por qué unos son transparentes y otros no? 

Todos los objetos están compuestos por átomos. Los átomos a su vez se componen de un núcleo central, formado por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga), y de una "nube" de electrones (carga negativa) que "giran" a su alrededor.

Son precisamente estos electrones los que hacen posible que veamos a los objetos. Si observamos la configuración de todos los átomos, los electrones se distribuyen alrededor del núcleo formando capas, como los de una cebolla. 

Las capas más cercanas al núcleo tienen mayor energía, ya que el núcleo con su carga positiva los atrae con mayor fuerza, mientras que los electrones de las capas más exteriores poseen menor energía, al estar más lejos de él.

Las energías en los átomos se miden en <eV> o electrón-voltio. Un eV es la energía que adquiere un electrón cuando se le aplica una diferencia de potencial de un voltio. Los electrones de las capas interiores (en átomos con muchos electrones) pueden tener energías del orden de varios miles de electrón-voltios mientras que los electrones exteriores, que son los que intervienen en el proceso de la visión, tienen una energía típica del orden de sólo unos pocos. La luz visible abarca energías entre 1,9 eV (luz roja) y 3,1 eV (luz violeta) aproximadamente. 

Lo que sucede realmente en el proceso de la visión es lo siguiente: un fotón de luz que incide sobre el objeto choca contra un electrón de las capas exteriores de los átomos exteriores del objeto, entonces el electrón absorbe el fotón y "salta" a un nivel con una energía mayor a la que tenía. En la mayoría de los casos el nuevo nivel no es estable, por lo que inmediatamente el electrón regresa a su nivel original devolviendo la energía absorbida y emitiendo un NUEVO fotón, este nuevo fotón emitido por el electrón posee una energía que es igual a la diferencia entre la energías de los niveles (o capas) del electrón antes y después de la emisión. Por lo tanto, la energía del fotón emitido depende de la diferencia de energía entre los distintos niveles de energía permitidos.

La incidencia de un fotón, eleva un electrón en el átomo de un estado energético E1 a un estado energético superior E2, lo cual implica la destrucción del fotón al ser absorbido:

y un cierto tiempo después, en virtud de que el estado excitado del átomo es un estado inestable, el electrón vuelve a caer al nivel energético inferior emitiéndose un fotón en el proceso, el cual podrá salir disparado en otra dirección totalmente diferente: 

Cada sustancia posee una cantidad de electrones, protones y neutrones característica, esto produce que tenga una distribución de niveles energéticos particular. En las capas exteriores del átomo, los niveles están muy próximos entre sí, con diferencias de energía del orden de un eV, precisamente el orden de energía del espectro visible capaz de ser captada por el ojo humano, (en realidad es el ojo el que a lo largo de la evolución se ha ido adaptando para captar estas frecuencias y poder ver los objetos).

Son los fotones que los electrones emiten en sentido contrario (como si fuera una reflexión), los que permiten que veamos los objetos. 

La probabilidad de que el fotón sea emitido hacia fuera (reflexión) o hacia dentro, depende de la distribución atómica del material. En los objetos transparentes la probabilidad de reflexión es menor que en los objetos opacos, (en los objetos opacos la probabilidad de que el fotón emitido viaje hacia adentro siendo absorbido y reemitido por los electrones de los átomos interiores en la misma dirección es casi nula. En su lugar, el fotón se "difunde" por el material en todas direcciones calentando el material). 

Este fenómeno de absorción y emisión de un fotón por un electrón, es uno de los fenómenos más importantes de la física y explica innumerables fenómenos de todo tipo. Por ejemplo, en la dispersión atmosférica, la luz del sol choca con los electrones de los átomos que componen el aire de nuestra atmósfera, estos son absorbidos y reemitidos en todas direcciones produciendo la dispersión de la luz. Para un observador en el suelo, la luz parece venir de todas direcciones, y por eso ve el cielo iluminado. 

En la Luna por ejemplo, al no haber atmósfera, no se produce la dispersión de la luz, por lo que el cielo lunar es negro (por eso en todas las fotos de la Luna parece que siempre es de noche). 

La energía de un fotón viene dada por la fórmula [E = h.f] donde "h" es la constante de Planck y "f" la frecuencia del fotón. Así, a mayor frecuencia o, equivalentemente, a menor longitud de onda, más energía tiene el fotón y viceversa. El sol, o una bombilla corriente, emiten luz que contiene una mezcla de todas las frecuencias. 

Los objetos, en función de su configuración atómica absorben y reflejan luz de determinada frecuencia. 

Los objetos verdes absorben la luz de todos los colores (o frecuencias) excepto la verde que la refleja. Los objetos blancos reflejan la luz de todas las frecuencias del espectro visible y los negros absorben todas las frecuencias.
De izquierda a derecha soluciones de: Co(NO3)2 (rojo); K2Cr2O7 (naranja); K2CrO4 (amarillo); NiCl2 (turquesa);CuSO4(azul); KMnO4 (violeta). 

La luz, de determinada frecuencia, emitida por los electrones exteriores de los átomos exteriores de los objetos que nos rodean, llega a la retina, donde existen unas células especiales con capacidad foto receptora llamadas conos, estos envían la información de las frecuencias que perciben al cerebro, mediante impulsos eléctricos. Los conos pueden de ser de tres clases, según el pigmento que posean: pigmento rojo, pigmento verde y pigmento azul. Estos tres colores corresponden a las frecuencias: menor, intermedia y mayor respectivamente del espectro visible, es decir, la retina humana detecta solamente estos tres colores, y calcula o produce la información de todos los demás colores como mezcla de estos tres primarios, en función de la intensidad percibida en cada uno de los tres tipos de conos.

Espectro de absorción de la clorofila: como se ve en la imagen esta molécula absorbe los colores azul oscuro y rojo oscuro, y refleja todos los colores intermedios. 

Los conos de la retina detectan y mezclan estos colores lo que resulta en una media predominante del color verde, por eso vemos las hojas de los árboles de color verde.

El Sol cambia de color al atardecer cuando cae sobre el horizonte. En este horario la luz del Sol atraviesa una mayor cantidad de aire de la atmósfera (línea roja), por tanto la dispersión de la luz por los electrones del aire es mayor.
Las frecuencias mayores que tienen una mayor energía (violeta, azul) chocan más con los electrones de la atmósfera (sufren una mayor dispersión) y se dispersan en todas direcciones mientras que las menores que tienen una menor energía (rojo) experimentan menor dispersión y atraviesan con mayor facilidad las capas de aire llegando con más facilidad hasta nuestros ojos, por esto el sol se ve de color rojo al atardecer.

A lo largo de la evolución, aprovechar la información que nos proporciona la frecuencia de la luz que recibimos se volvió una ventaja evolutiva muy importante. Para que los animales sobrevivieran, siempre fue de crucial importancia la capacidad de distinguir en medio de un bosque verde la presencia de un depredador cuyo pelaje es de un color diferente, (por esto muchos animales desarrollaron también la habilidad de camuflarse en el entorno, adaptando su color al del sitio donde se encuentran), o la importancia de distinguir organismos venenosos (muchos de los cuales "avisan" de su condición con colores muy llamativos).

De todo esto se concluye algo sorprendente: la retina detecta distintas frecuencias de luz y el cerebro ASIGNA un SÍMBOLO GRÁFICO a cada intervalo de frecuencia para distinguir una frecuencia de la otra. Es decir, los colores propiamente dichos NO EXISTEN, lo que realmente existe es un intervalo de frecuencias de luz emitido por los objetos en función de una determinada estructura atómica. Los colores son solo una ILUSIÓN creada por nuestro cerebro. El hecho de que un mismo objeto pueda emitir colores diferentes según su temperatura (si calentamos un objeto este cambia de color, pasando de rojo a amarillo y luego a azul al aumentar su temperatura), estado de movimiento (objetos que se mueven a grandes velocidades respecto a un observador en reposo cambian de color, se ven rojos si se alejan rápidamente y azules si se acercan) o posición relativa del objeto con respecto al observador (ver figura abajo) demuestra claramente que los colores no son una propiedad fundamental de los objetos, al menos en el mismo sentido que lo son, por ejemplo, el tamaño o la forma. Lo que sí es una propiedad fundamental de los objetos, es el espectro de absorción o de emisión, ya que está determinado por la estructura atómica de sus átomos exteriores.

Para concluir, y para no degradar completamente a los bellos colores de su status, podemos afirmar lo siguiente: los colores no tienen una existencia ONTOLÓGICA aunque probablemente si epistemológica.


LUZ: NATURALEZA Y PROPIEDADES: