¿Qué es la corriente eléctrica?

Seguro que os habéis preguntado alguna vez en qué consiste, o de qué está hecha, esa tremenda fuerza misteriosa que vive agazapada dentro de unos alambres de cobre, tras los agujeritos de los enchufes de vuestras casas. Esa bendita y a la vez terrible energía que es capaz de poner en marcha el televisor, hacer que giren a toda velocidad las cuchillas de la batidora, iluminar toda una habitación en medio de la oscuridad de la noche, o hacer que el agua hierva sobre la placa vitrocerámica de la cocina. 

Seguro que os interesa saber cómo se genera esa fuerza invisible que incluso sería capaz de arrebatar la vida a cualquiera si se la manipula inadecuadamente, sin observar las imprescindibles medidas de seguridad. Si es así, a vosotros, mentes inquietas y ávidas de conocimiento, va dedicado este post.

El ojo humano y la luz (I)

Al ojo le llega continuamente gran parte del espectro de radiación electromagnética, pero solo la longitud de onda que puede ser absorbida por los fotopigmentos de la retina, que genera por tanto impulsos nerviosos en el cerebro, puede ser llamada luz “visible”.

La córnea, la capa más externa del ojo que supone un potente filtro para la luz infrarroja y para la ultravioleta, transmite sin embargo perfectamente bien la radiación visible (cuya longitud de onda está comprendida entre los 400 y los 700 nm).

Fotones.

Al decir luz, en general, hacemos referencia a todo el espectro de ondas electromagnéticas, que abarca desde los fotones que conforman las ondas de radio, hasta los que son portadores de los rayos gamma (pasando por los de las microondas, los de luz infrarroja, los de luz visible, los ultravioletas y los de los de rayos X).

Espejismo

Es habitual, en verano, al circular por rutas asfaltadas, observar un fenómeno conocido como “espejismo”. Puede verse también en algunas playas, cuando el sol es muy intenso y la arena seca está a muy alta temperatura, tanto que nos quema los pies si caminamos descalzos sobre ella. 

Este fenómeno se presenta a la vista como si delante de nosotros, a algunas decenas o incluso hasta varios cientos de metros, cuando al mirar la arena o el asfalto caliente, tenemos la sensación de estar viendo agua a lo lejos. Pero lo que vemos en realidad no es más que el reflejo del cielo, que al ser azul claro se parece a un gran charco de agua. 

La explicación de este fenómeno, es que las capas de aire caliente (las más próximas al suelo), tienen un índice de refracción menor que las que están más lejos y por eso van curvando la dirección de la luz, hasta que el ángulo supera al límite, produciendo la reflexión total. 

Un rayo de luz reflejado por un objeto lejano que va hacia abajo, y en la dirección del observador, va experimentando refracciones sucesivas al atravesar las distintas capas de aire; su inclinación hacia el suelo es cada vez menor y, tras llegar a la horizontal, el rayo sufre nuevas refracciones, aunque esta vez hacia arriba. Así es como, tras haber descrito una trayectoria curva de convexidad dirigida hacia abajo, llega al ojo del observador, que ve en el suelo (espejismo inferior) una imagen poco neta del objeto. Ahora bien, como otros rayos de procedencia real llegan también directamente al ojo del observador, éste tiene la impresión de ver a la vez el objeto (por ejemplo, una palmera en un desierto) y, al pie del mismo, una segunda imagen invertida, como si esta palmera se reflejara en una superficie líquida inexistente. Por tanto, en las horas más calurosas del verano, la imagen del cielo parece venir del asfalto de la carretera caliente, a la vez que ésta parece mojada o encharcada para el observador.

La luz 'V'. Reflexión cuántica.

¿En qué consiste una reflexión especular a nivel cuántico?

Cuando te ves reflejado en un espejo, sabes que la luz procedente de una fuente luminosa (el Sol, un fuego, una bombilla, etc.),  primero ha golpeado tu cuerpo y luego se ha dirigido hacia dicha lámina especular, en donde ha colisionado con su brillante superficie y ha conformado en ella un reflejo consecuente de tu propia imagen. Y, según nos enseñaron en la escuela, el proceso continúa haciendo que la luz que rebotó en el espejo vuelva a ti, por fin, y termine impactando en la superficie de las retinas de tus ojos, en dónde, tras excitar a unas determinadas neuronas, se transformará en un tren de impulsos eléctricos que producirán una imagen que será decodificada e interpretada por tu cerebro.

De esta forma, como todos lo aprendimos el el colegio, nos imaginamos a la luz como un chorro de bolitas microscópicas de energía, que van a toda velocidad hacia el espejo, y rebotan en él como las bolas de billar rebotan contra las bandas de la mesa, volviendo hacia nuestros ojos. Pero… no es eso lo que sucede en realidad.

Veréis, un fotón de luz es algo increíblemente inexplicable, pequeño e insubstancial. No puedes sentirlo, ni tocarlo, ni casi pensarlo, diría yo. Es tan inimaginable como lo es también un átomo cualquiera de los que componen el espejo al que nos estamos refiriendo.

También sabemos que cada uno de esos átomos ocupa en realidad  un vasto espacio vacío, con sólo  algunos minúsculos e insustanciales componentes distribuidos en su seno. Y, en algún lugar, cerca del centro del átomo, existe algo a lo que llamamos núcleo (compuesto de quarks, que a su vez conforman protones y neutrones), es la parte más grande y pesada de toda la estructura atómica, y aún así, el núcleo es tan pequeño, comparado con el total del espacio ocupado por todo el átomo, que se le podría comparar con una pequeña mosca que revoloteara en el centro de una catedral (Ernest Rutherford, el hombre que descubrió la estructura atómica, lo describía como: "un mosquito en el Albert Hall de Londres"). 

¡¡¡Tan grande es el espacio vacío de un átomo en proporción a su tamaño total!!!.

Y, en algún lugar alrededor de la periferia de ese vasto espacio vacío, están los electrones, que son muchísimo más pequeños que el referido núcleo, y están siempre en movimiento alrededor de aquel. Aunque aún no sabemos exactamente cómo se mueven y dónde están, pero podemos imaginarlos como extensas nieblas, (más o menos densas en función de otros parámetros en los que ahora no abundaremos), que se mueven de forma fantasmagórica y se esparcen a unas ciertas distancias del núcleo, en función de las órbitas que ocupan.

Pero ¿Que hace entonces nuestro fotón cuando llega al espejo procedente de un impacto contra nuestro cuerpo? ¿Contra qué rebota exactamente, si es que rebota, como si fuera una bola de billar cuando los golpea? O, ¿no golpea en realidad? ¿Choca contra un núcleo? Si así fuera la inmensa mayoría de fotones atravesaría el átomo sin colisionar, y  todos los materiales serían transparentes, incluyéndonos a nosotros mismos que seríamos invisibles, puesto que únicamente una minúscula fracción de luz (sólo unos pocos fotones) rebotarían contra él haciéndonos visibles.

Y, entonces, si los fotones no chocan contra los núcleos, ¿pueden rebotar contra las nubes fantasmagóricas de electrones? Bueno, posiblemente sí podrían hacerlo, pero siendo ambos tan pequeños e insustanciales ¿por qué iban a rebotar comportándose como bolas de billar?

Pues bien, de hecho la luz no rebota en absoluto contra los núcleos, ni tampoco contra los electrones de los átomos, es decir: ni contra nosotros, ni contra el espejo. Lo que sucede realmente es que: la luz, que es energía electromagnética, en la medida en que su campo eléctrico se aproxima a un electrón, comienza a interactuar con él. El electrón absorbe al fotón, se lo traga literalmente, y adquiere su energía; hace lo que se llama: dar un salto cuántico. Y, como los electrones que gozan de, o están en, estados de energía más elevados son mucho más inestables, pues rápidamente (nuestro electrón energizado) cambia de lugar en el átomo y, a la vez que salta a una nueva órbita, genera (vomita) un nuevo fotón de luz, porque la reacción inmediata del núcleo del átomo será atraer el electrón para incorporarlo de nuevo a su órbita original. Y en el preciso instante en 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, se libera en forma de fotón de luz.

Es ese nuevo fotón es el que sale disparado desde nuestra piel, o nuestra ropa, y se dirige a la superficie del espejo, en donde se realiza la misma operación, lanzándose otro nuevo fotón que viaja hacia nuestros ojos para configurar una imagen eléctrica que es interpretada, a su manera, por nuestro cerebro. 

Es decir, los fotones "reflejados" son en realidad fotones nuevos.

<< No son los mismos fotones que llegaron a nosotros procedentes de una fuente luminosa y luego viajaron tras rebotar en el espejo a nuestras retinas, sino que son fotones nuevos que surgieron en cada nuevo impacto de la luz sobre un átomo cualquiera de la materia que nos rodea. >>

Luz IV. El color, de la atmósfera y del mar.

La luz es una forma de energía que se transmite mediante ondas. 

"A diferencia del sonido, que también viaja en forma de ondas pero que necesita de un medio material (aire, agua, sólidos) para transmitirse, la luz es una onda electro-magnética que puede viajar en el vacío o en medios transparentes (como el aire y el agua)".

La luz del Sol está compuesta de infinidad de ondas de diferentes longitudes. Nuestros ojos pueden ver un cierto rango de longitudes de onda, que corresponden a distintos colores: desde el rojo (longitud de onda más larga), pasando por anaranjado, amarillo, verde y azul, al violeta (la longitud de onda más corta que podemos ver). Para tener una idea, al color verde corresponde una longitud de onda de unas cinco diezmillonésimas de milímetro.

La atmósfera terrestre es una mezcla de moléculas gaseosas (78% nitrógeno, 21% oxígeno, 1% argón y vapor de agua, trazas de otros gases); hay también en suspensión partículas de polvo, cristales de hielo, cenizas, etc.

La atmósfera es más densa cerca de la superficie terrestre y está constituida por infinidad de pequeñas gotas de agua que provocan el fenómeno de la refracción en la luz del Sol, igual que hace un prisma de vidrio.

Los rayos violeta y azul son los que sufren la mayor dispersión con respecto al rayo blanco proveniente del Sol, mientras que los rayos rojo y amarillo son los que casi no sufren esta dispersión. Por ello el color con el que vemos el Sol es amarillo, al no haberse desviado apenas de su dirección, mientras que el resto del cielo es azul, al ser luz difusa que ha llegado a nuestros ojos rebotada en infinidad de gotas de agua. (La utilización de los faros antiniebla amarillos se basa en el hecho de que la difusión de este color en la niebla es menor que la de los demás colores).

El por qué de que el cielo no se vea de color violeta se debe a dos razones fundamentalmente. A que la luz solar contiene más luz azul que luz violeta, y a que el ojo humano (que en definitiva es el que capta las imágenes -aunque el cerebro las interprete) es más sensible a la luz azul que a la violeta. 

Así mismo, el color del sol es amarillo-rojizo, y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol (que es suma de todos los colores) se le quita el color azul, se obtiene una luz de color amarillo-rojiza.

Desde la superficie terrestre y durante los días despejados, observamos que el color del cielo es el azul. Pero, si tuviéramos la oportunidad de visitar la superficie de algún otro planeta no observaríamos el mismo color.

En órbita, fuera de la atmósfera terrestre, o desde la Luna, el Sol se ve blanco y el cielo negro. Al no haber moléculas que dispersen la luz, todas las longitudes de onda de la luz solar nos llegan por igual y el Sol se ve blanco. Y el cielo se ve negro porque no hay nada que disperse la luz.

Neptuno

En general, el color del cielo que se observa desde la superficie de cualquier planeta depende de la composición de su atmósfera. Si el planeta no tiene atmósfera, el cielo se verá negro aunque el Sol este iluminando su superficie. Esto ocurre, por ejemplo, en Mercurio y en la Luna.

 En planetas con atmósfera, el color del cielo que se observa desde su superficie varía. Por ejemplo, en la superficie de los planetas Marte y Venus, debido a que su atmósfera esta compuesta en mas de 90% por bióxido de Carbono, apreciaríamos un cielo rojo. En Neptuno, debido a que su atmósfera es de metano, observaríamos desde su superficie un cielo verde.

En el vacío, la luz viaja en línea recta y sin nada que la perturbe. Al penetrar en la atmósfera, la luz puede incidir sobre un grano de polvo o en una molécula. En cada uno de estos casos pasan cosas distintas: Los granos de polvo y las gotitas de agua son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda de la luz visible, por lo tanto actúan como "espejos" que reflejan la luz incidente en diferentes direcciones, sin cambiarle el color. La moléculas son más chicas que la longitud de onda de la luz visible. Cuando una onda luminosa choca con una molécula, ésta puede absorber la luz, y luego la emite en cualquier otra dirección. Este fenómeno se llama dispersión. Pero las moléculas son mucho más eficientes para dispersar la luz de longitud de onda corta (azul) que la luz de longitud de onda larga (rojo). Este proceso fue estudiado por el físico Lord John Rayleigh hacia 1870, por eso se lo conoce como "dispersión Rayleigh".

El color azul del cielo se debe a la dispersión Rayleigh. Cuando la luz del Sol atraviesa la atmósfera para llegar hasta nosotros, la mayor parte de la luz roja, anaranjada y amarilla (longitudes de onda largas) pasa sin ser casi afectada. Sin embargo, buena parte de la luz de longitudes de onda más cortas es dispersada por las moléculas gaseosas del aire. A cualquier parte del cielo que miremos, estaremos viendo algo de esa luz dispersada, que es azul, y por eso el cielo es de ese color. En cambio, la luz que nos llega directamente del Sol perdió parte de su color azul, por eso el Sol se ve amarillento.

Al mirar hacia un punto más cercano al horizonte, el cielo se ve de un color azul más pálido. Esto se debe a que, para llegar hasta nosotros, la luz del cielo debe en este caso atravesar una mayor cantidad de aire, y por lo tanto vuelve a ser dispersada. La luz que nos llega del cielo cercano al horizonte habrá entonces perdido parte de su color azul y se verá pálida o blanquecina.

El cielo, alrededor del sol poniente, puede tomar colores muy variados. Cuando el aire contiene gran cantidad de partículas de polvo o gotitas de agua, éstas reflejan luz blanca en todas direcciones. Sobre esta luz actúa la dispersión Rayleigh, eliminando las longitudes de onda más cortas. Por eso el cielo se ve rojizo.

En el ocaso y en el amanecer, a medida que el Sol está mas cerca del horizonte, la luz debe atravesar una porción de atmosfera cada ver mayor para llegar a nuestros ojos (recordemos que la atmosfera terrestre es muy delgada comparada con el radio de la Tierra). Bien, pues el color del Sol va cambiando, primero anaranjado y luego rojizo, esto se debe a que se van dispersando cada vez más las longitudes de onda corta (azul y violeta) y solo nos llega la luz más roja y amarilla, de onda larga.

El color de la noche es azul, pero lo vemos negro porque sobre la atmósfera que nos rodea apenas llega luz y por tanto no se realiza suficiente difusión: no dando color a nada.

Cuando algo ilumina el cielo en la noche, volvemos a ver el color azul, tal y como se aprecia en la fotografía siguiente en la que la noche es iluminada por un rayo.

Las nubes son generalmente blancas porque las gotitas y cristalitos que contienen son de toda clase y tamaño, esto hace que los colores que rodean a cada corpúsculo se superpongan tan destructivamente que todo color desaparece, esparciendo (difractando) la luz en todas direcciones sin alterar su color inicial. Resultando obvio que a las partes de las nubes que no les da el Sol directamente aparezcan oscuras, acentuándose el efecto por el contraste, así se ven partes de las nubes grises contra otras partes blancas que están siendo iluminadas por el Sol.

Si esas gotas son grandes, parte de la luz se esparce, y además puede cambiar el color de la luz, resultando una atenuación de la luz blanca hacia tonos grises, cada vez más oscuros. Esta es la causa de que en días muy nublados, cuando las nubes son muy gruesas, el cielo aparezca más o menos gris, y a veces casi negro.

Los arcoiris se forman por la refracción de la luz del sol a través de las gotas de lluvia que caen. La luz blanca del sol es descompuesta en sus colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta) por la refracción y es emitida desde las gotas de agua en diferentes ángulos, por lo que de cada gota no podemos ver todos los colores. Así, el arcoiris que vemos, el que llega a nuestros ojos, está formado por esos colores, pero cada color proviene de distintas gotas dependiendo de la altura de estas: Las gotas del color violeta están más cerca del suelo que las que nos envían la luz roja.

El agua del mar absorbe con mayor facilidad las longitudes de onda larga (como el rojo, el naranja y el amarillo) que las longitudes de onda corta (como el azul y el violeta). Estas rebotan y son captadas por nuestro ojo. Aunque el agua es incolora porque toda las longitudes de onda la atraviesan, cuando la cantidad de agua es muy grande, a la luz le cuesta más atravesarla y refleja cierta tonalidad azul. Cuanto mayor sea la cantidad de agua, mayor será la cantidad de luz reflejada y por tanto, más intenso será el color azul del mar y también influye el reflejo del cielo en la superficie del agua. De ahí que en la orilla de una playa los tonos sean más claros y según aumenta la profundidad se vayan oscureciendo.Este efecto se produce en el agua pura, ya que si el agua alberga algas, barro u otras impurezas, la luz esparcida por esas partículas enmascarará el color habitual del agua que entonces se verá en tonos verdosos.

Lo normal es que en mar abierto (aguas profundas) el color dominante sea el azul oscuro, ya que allí el volumen de agua es tan enorme que la concentración de elementos contenidos en él es más pequeña que en zonas costeras (aguas someras), donde la coloración pardo-amarillenta y verdosa es más frecuente. Ocurre a veces que determinados microorganismos o algas alcanzan unas poblaciones tan grandes que literalmente tiñen el agua de tonalidades distintas a las que tendría el mar por efecto únicamente de las transformaciones a las que se ve sometida la radiación solar.

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.

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: