¿Qué es la luz y de dónde viene?
Foto de Nadine Shaabana en Unsplash
Introducción – ¿Qué es la luz?
Los no científicos damos por sentado que la luz es sólo luz, y apenas pensamos de dónde viene o cómo se produce. Así que si su trabajo tiene que ver con la luz, la iluminación o incluso la agricultura de interior, pensamos que le gustaría saberlo.
Este artículo descorre las cortinas sobre «¿Qué es la luz?».
- Orígenes de la Luz: Fuentes naturales y artificiales
- La luz es una liberación de energía.
- ¿Cómo se crea la luz? De los electrones a los fotones
- Los electrones no permanecen en una órbita superior, ni siquiera con electricidad constante.
- Visión clásica y cuántica de los electrones (inmersión profunda).
- Conclusión – Descorrer las cortinas de lo que es la luz.
Fig 1 Foto de Umberto en Unsplash
Orígenes de la Luz: Fuentes naturales y artificiales
Cuando la gente pregunta «¿de dónde viene la luz?», la respuesta puede dividirse en dos grandes categorías: fuentes naturales y fuentes artificiales. Comprender ambas cosas nos ayuda a entender mejor qué es la luz y cómo se crea.
Fuentes naturales de luz
La fuente natural de luz más importante de la Tierra es el Sol. En su núcleo, las reacciones de fusión nuclear convierten el hidrógeno en helio, liberando una enorme cantidad de energía en forma de fotones. Estos fotones viajan por el espacio y acaban llegando a la Tierra, dándonos la luz del día e impulsando casi todos los procesos biológicos y ecológicos. Otras fuentes naturales son las estrellas, los relámpagos, el fuego e incluso algunos organismos vivos como las luciérnagas y ciertos tipos de criaturas de las profundidades marinas mediante la bioluminiscencia. En todos estos casos, la luz se crea cuando la energía se transforma y se libera en forma de fotones.
Fuentes artificiales de luz
La innovación humana ha proporcionado formas artificiales de generar luz. Los primeros ejemplos son las fuentes basadas en el fuego, como las velas y las lámparas de aceite. Sin embargo, las tecnologías modernas se basan en la electricidad para producir luz de forma más eficiente. Las bombillas incandescentes crean luz cuando la energía eléctrica calienta un filamento de tungsteno hasta que brilla, liberando fotones. Las lámparas fluorescentes generan luz excitando moléculas de gas, que emiten radiación ultravioleta que incide sobre una capa de fósforo para producir luz visible. Los LED (diodos emisores de luz) utilizan semiconductores que liberan fotones directamente cuando pasa corriente a través de ellos, ofreciendo una gran eficacia y una larga vida útil.
Volver a enlazar con la naturaleza de la luz
Ya sea natural o artificial, la forma en que se crea la luz sigue el mismo principio: la energía excita los átomos o las moléculas, y cuando los electrones vuelven a su estado de menor energía, se liberan fotones. Este proceso fundamental es el puente entre fenómenos naturales como la fusión del Sol y las tecnologías que utilizamos a diario en el diseño de la iluminación, las pantallas y la agricultura de interior.
Tanto si la luz procede de las reacciones de fusión del Sol como del diseño de ingeniería de los LED, en el fondo siempre está ligada al mismo principio: la luz es una liberación de energía.
La luz es una liberación de energía.
En resumen, los fotones de luz que emite una fuente luminosa (por ejemplo, una bombilla incandescente) no son más que una liberación de energía. Para explicarlo, tomemos la analogía de una goma elástica que se rompe.
Supongamos que aplicas energía física para separar la goma elástica. De este modo, la energía se transmite al material de la goma elástica en forma de energía potencial. Al soltar un extremo, la goma se contrae rápidamente y se oye un SNAP. El chasquido es la energía potencial liberada en forma de sonido.
Fig. 2 Analogía de la goma elástica
Ahora hablemos de la luz. El filamento de una bombilla incandescente está hecho de un material llamado tungsteno. El wolframio está formado por moléculas, que son un montón de átomos conectados entre sí. El átomo tiene un centro llamado núcleo, y hay electrones que orbitan a su alrededor.
Fig 3a Filamento de una bombilla
Fig. 3 Filamento de tungsteno en una bombilla
(foto de alessandro-bianchi en unsplash)
Empecemos con el electrón en su órbita baja natural (Fig. 4-a).
Al aplicar energía o electricidad a la bombilla, el electrón del átomo del filamento se excitará a una órbita superior y habrá obtenido energía potencial (Fig 4-b).
Cuando el electrón vuelve a su estado inferior o natural (Fig. 4-c), libera energía, pero en lugar de un sonido, libera un fotón de luz.
Ergo, la luz es simplemente una liberación de energía – Y aunque otros tipos de luces (LED, fluorescentes, etc.) difieren en muchos aspectos, siguen teniendo el mismo resultado final de emitir fotones de luz al permitir que los electrones caigan de orbitales o estados superiores a otros inferiores.
Fig 4 Foto de Josie Weiss en Unsplash
¿Cómo se crea la luz? De los electrones a los fotones
Cuando la gente pregunta cómo se crea la luz, la respuesta está en el comportamiento de los electrones dentro de los átomos. Los electrones no permanecen en una órbita superior, aunque se les aplique electricidad constante. ¿Por qué los electrones no siguen permaneciendo en este estado elevado?
Piensa en un electrón en órbita alta como en una persona que camina por la cuerda floja. Es una posición precaria e inestable, y es fácil que el electrón vuelva a caer. Esta inestabilidad es consecuencia directa de las reglas de la física y, más concretamente, de la mecánica cuántica.
En el mundo cuántico, las partículas subatómicas como los electrones se comportan de formas que desafían la intuición cotidiana. La posición de un electrón en un momento dado es incierta, lo que hace que su «actuación en la cuerda floja» sea inestable. Cuando el electrón cae inevitablemente de su estado excitado a su estado natural inferior, la energía que transporta se libera, no como sonido, sino como un fotón de luz.
Como la electricidad se aplica continuamente, otros electrones son excitados constantemente a estados superiores y luego vuelven a caer. Este continuo subir y bajar de miles de millones de electrones produce un flujo continuo de fotones, que percibimos como luz visible de una bombilla.
Algunos físicos señalan que el modelo clásico de los átomos -un núcleo con electrones en órbita- es una simplificación excesiva. En la teoría cuántica moderna, los electrones existen como una nube de probabilidad, apareciendo y desapareciendo alrededor del núcleo hasta que son observados. Aun así, el modelo simplificado sigue siendo útil para comprender la idea fundamental: la luz se crea mediante la transición constante de electrones, liberando fotones en un ciclo sin fin.
Los electrones no permanecen en una órbita superior, ni siquiera con electricidad constante.
¿Por qué no siguen los electrones en una órbita superior? Al fin y al cabo, se está aplicando continuamente electricidad.
Los electrones en órbita alta son como alguien en la cuerda floja. Siempre están en un estado muy precario e inestable, y es fácil que caigan de la órbita alta. Pero, ¿por qué son inestables los electrones en este estado?
Física y mecánica cuántica
En resumen, las partículas subatómicas como los electrones son raras. Viven en el mundo de lo muy pequeño, el mundo de la Mecánica Cuántica. Esto significa que las cosas no se comportan igual que nuestra propia existencia mundana de tocar, oír, ver y oler.
La propia existencia de un electrón en un momento dado es incierta, por lo que su posición en la cuerda floja es precaria. Así, caen fácilmente y emiten un fotón de luz.
Y debido a la electricidad constante que se aplica, el siguiente electrón se eleva al estado superior, y pronto cae – y es este continuo ascenso y descenso de miles de millones de electrones lo que nos da este chorro de luz de una bombilla.
Fig. 5 El electrón en órbita alta es como un acto en la cuerda floja: inestable y precario.
Visión clásica y cuántica de los electrones (inmersión profunda).
Algunos argumentarán que mi descripción clásica del átomo, el núcleo y los electrones en órbita es inexacta. Estoy de acuerdo, pero así es como se sigue enseñando en las aulas para ayudar a los estudiantes a «introducirse» en las complejidades de la física y la química.
En el mundo cuántico, el electrón existe como una nube de electrones. De ello se deduce que el electrón siempre está entrando y saliendo de la existencia alrededor del núcleo, pero nunca está en un mismo lugar a menos que se le observe.
No se preocupe si no lo entiende: incluso nuestros científicos más brillantes aún no han desentrañado por completo la Mecánica Cuántica. Pero por eso los electrones siguen siendo raros, y por eso su posición en el tiempo y el espacio siempre será precaria.
Fig. 6 Representación clásica de un electrón en órbita
Fig 7 Mecánica cuántica Nube de electrones
La luz es a la vez partícula y onda
Es fácil percibir la luz como partículas debido a su comportamiento: Rebota en paredes y espejos, como lo haría una pelota de tenis. Aunque no podemos ver las partículas de luz, deducimos que lo son por su comportamiento.
La luz, al mismo tiempo, también es una onda, no porque podamos ver la luz como ondas acuosas, sino por su comportamiento. Hubo un experimento famoso llamado el experimento de la doble rendija en el que se envió luz a través de dos rendijas y el resultado fue sorprendentemente similar a cómo las ondas de agua pasan a través de esas mismas dos rendijas. Como la luz se comportaba a la vez como partícula y como onda, se consideró que la luz era ambas cosas.
Fig 8 Fotones de luz. Cada fotón tiene una longitud de onda de color.
Utilizar un espectrómetro para distinguir partículas y ondas
Un fotómetro puede medir y ver tanto los aspectos de partícula como de onda de la luz. La luz está formada por partículas llamadas fotones. Un espectrómetro o medidor de luz puede medir el número de fotones procedentes de la luz midiendo LUX o PPFD (luces de cultivo). Cuanto mayor sea el LUX, más fotones incidirán en un metro cuadrado.
Un espectrómetro es un sofisticado medidor de luz que también puede medir ondas, y estas ondas tienen una frecuencia asociada a un color específico. Los colores más azules tienen frecuencias más cortas y los rojos, más largas.
Cada fotón tiene asociada una frecuencia de longitud de onda, que determina su color, y un espectro tomado por el espectrómetro puede mostrar el número relativo de fotones de cada color visible en una luz.
Fig 11 Los colores más azules tienen frecuencias más cortas, los rojos más largas
Fig 9 Medición LUX (lúmenes / metro cuadrado)
Fig 10 Medición del espectro desde el espectrómetro (incandescente, LED)
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Conclusión – Descorrer las cortinas de lo que es la luz.
La luz es una liberación de energía, como el chasquido de una goma elástica. Tienes que entender los electrones en órbita que son empujados a un estado superior. Debido a la incertidumbre de su existencia, los electrones vuelven fácilmente a su estado natural, liberando energía en forma de fotones. Este continuo subir y bajar de miles de millones de electrones produce una corriente de luz que ya no tenemos por qué dar por sentada.
Cualquiera puede ser científico.
Fig. 12 Toda iluminación utiliza electrones que caen para producir fotones de luz.
Fig 13 – Espectrómetro completo MK350S Premium
El MK350S Premium es el Espectrómetro con todas las funciones de UPRtek.
Los proyectos en los que la luz es un factor crítico se enfrentan al reto de contar con instrumentos incómodos que carecen de precisión, flexibilidad, comodidad, almacenamiento de datos y conectividad con otros dispositivos.
El espectrómetro portátil MK350S Premium es un dispositivo de laboratorio polivalente utilizado por investigadores, profesores, diseñadores de iluminación, fabricantes de LED y organizaciones de normalización de la iluminación, que ofrece una completa gama de funciones y métricas de iluminación para abordar cualquier reto de iluminación bajo el sol.
Producto caliente
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