La luz. Fotones y electrones.

La luz es energía emitida por cargas eléctricas aceleradas, en muchos casos por electrones en el interior de los átomos. Esta energía se propaga en una onda que es en parte eléctrica y en parte magnética.

La luz visible es una porción pequeña de la gran familia de ondas electromagnéticas, que incluye, por ejemplo, radiaciones tan conocidas como las ondas de radio, microondas o rayos X.
La luz de menor frecuencia que los seres vivos podemos ver es la de color rojo. Y las frecuencias visibles más altas, las cuales duplican la frecuencia del rojo, corresponden al color violeta.

La luz es energía transportada por una onda electromagnética generada por cargas eléctricas que vibran. La luz, al colisionar con la materia, obliga a los electrones de la misma a vibrar; así pues, las vibraciones del emisor se transfieren al receptor. La luz visible vibra 100 billones de veces por segundo. Para que un objeto con carga responda a estas vibraciones ultrarrápidas debe tener muy poca inercia. La masa de electrón es lo bastante pequeña para que pueda vibrar con esa rapidez.

El vidrio y el agua son dos materiales que permiten el paso de la luz en línea recta, por eso decimos que son trasparentes a la luz. Cuando una onda de luz incide en ellos comienzan a vibrar y consecuentemente se calientan.

Todo material elástico responde más a ciertas frecuencias de vibración que a otras. Las frecuencias naturales de vibración de un electrón dependen de la firmeza con la que está unido al núcleo más cercano. Los distintos materiales tienen diferentes “fuerzas de resorte” eléctrico.

Los electrones del vidrio tienen una frecuencia natural de vibración que corresponde a la región ultravioleta. Cuando un haz de luz ultravioleta incide en el vidrio hay resonancia, la onda genera y mantiene una intensa vibración entre el electrón y el núcleo atómico; del mismo modo que se crea una intensa vibración cuando empujamos un columpio con la frecuencia resonante.
El átomo puede transmitir la energía que recibe a los átomos vecinos por colisión o bien reemitirla en forma de luz. Si la luz ultravioleta interactúa con un átomo cuya frecuencia natural coincide con la de la onda, la amplitud de vibración de los electrones se hace muy grande.
Tipicamente el átomo retiene esta energía durante un tiempo bastante largo. Durante este tiempo el átomo experimenta muchas colisiones con otros átomos y cede su energía en forma de calor. Por esto el vidrio no es trasparente a la luz ultravioleta.

Pero cuando la frecuencia de la onda electromagnética es menor que la de la luz ultravioleta, como es el caso de la luz visible, los electrones se ven forzados a vibrar con amplitudes más pequeñas. El átomo retiene la energía por menos tiempo, con menos probabilidad de chocar con sus átomos vecinos y se transfiere menos energía en forma de calor.
La energía de los electrones que vibran se reemite como luz transmitida. La frecuencia de luz reemitida que pasa de átomo en átomo es idéntica a la de la luz que produjo inicialmente la vibración. La diferencia principal es un leve retardo entre la absorción y la reemisión.

La luz se propaga con diferente velocidad promedio en los distintos materiales. En el vacío la rapidez de la luz tiene un valor constante de 300.000 Km/s; Esta velocidad de la luz se representa por el símbolo -C-. La luz se propaga con una rapidez ligeramente menor en la atmósfera, pero su valor se redondea casi siempre al de -C-.

El vidrio es trasparente a la luz visible, pero no a la ultravioleta ni a la infrarroja.

La mayor parte de los materiales absorben luz sin reemitirla, con lo que impiden su paso; decimos que son opacos. La madera, las piedras y las personas somos opacas a la luz visible. En un material opaco todas las vibraciones coordinadas, que imparte la luz a los átomos y moléculas, se convierten en energía cinética aleatoria, esto es, en energía interna. El material se calienta ligeramente.

Los metales son opacos. En los metales los electrones de los átomos no están unidos a un átomo en particular, sino que pueden vagar libremente, con muy pocas restricciones, por todo el material (enlace metálico). Es por esta causa que los metales son buenos conductores de electricidad y calor. Cuando la luz incide en un objeto de metal y pone a vibrar estos electrones libres, su energía no rebota de un átomo al otro en el material, sino que se remite como luz visible. Percibimos esa luz reemitida como un reflejo. Por esta razón los metales brillan.

Nuestra atmósfera es totalmente trasparente a la luz visible y a un tipo de radiación infrarroja pero, afortunadamente, es casi absolutamente opaca a la radiación ultravioleta de alta frecuencia, sin embargo una pequeña porción de esta luz ultravioleta si que logra atravesar nuestra atmósfera y es la causante de las quemaduras de piel por radiación solar.
Si toda la radiación ultravioleta lograse atravesar la atmósfera de la Tierra los seres vivos no podríamos exponernos al sol sin una adecuada protección.
Las nubes son semitransparentes la radiación ultravioleta; por eso, incluso en días nublados podemos sufrir quemaduras de sol. Además la radiación ultravioleta se refleja en la arena y en el agua; esto hace que podamos sufrir quemaduras aunque estemos debajo de una sombrilla.

Al iluminar un objeto se forma una sombra en el lugar que no llegan los rayos de luz. Una fuente luminosa cercana, o una fuente luminosa más alejada, producen sombras nítidas. La mayor parte de las sombras son borrosas. En general, las sombras constan de una región interior oscura y otra de bordes claros.
Una sombra total es una umbra y una parcial una penumbra. Una penumbra aparece cuando se impide el paso de una parte de la luz pero otro rayo toma su lugar. También la hay cuando se obstruye parcialmente el paso de la luz de una fuente ancha.