Dispersión de luz – Part 2

La luz es un tipo de energía que hace que nuestros ojos experimenten la visión y nos permite percibir varios objetos en nuestro entorno. El rayo de luz puede ser luz propia o luz reflejada del objeto. Los objetos luminosos son aquellos que producen su propia luz. Sol, bombilla, tubo de luz, luciérnagas, etc. Los objetos que reflejan la luz de otras fuentes se conocen como objetos no luminosos. No producen su propia luz. Luna, árbol, mesa y pintura, por ejemplo. La luz puede comportarse como un rayo (reflexión), una onda (interferencia) o una partícula de difracción (efecto fotoeléctrico). Antes de discutir la dispersión de la luz, tendremos algunos conceptos relacionados. 

¿Qué es la refracción de la luz?

El cambio de dirección de una onda que viaja de un medio a otro se conoce como refracción.

Uno de los fenómenos más conocidos es la refracción de la luz, aunque otras ondas, como el sonido y las ondas de agua, también pueden refractarse. Debido a la refracción, podemos emplear equipos ópticos como lupas, lentes y prismas. La refracción de la luz nos permite enfocar la luz en nuestra retina.

Refracción atmosférica: La refracción atmosférica es la refracción de la luz por diferentes capas de la atmósfera. La refracción atmosférica es la curvatura de los rayos de luz a medida que se mueven a través de las capas de la atmósfera terrestre con diferentes densidades ópticas. Diferentes gases y partículas de polvo tienen diferentes densidades ópticas. La luz de una estrella es refractada por la atmósfera a diferentes altitudes debido a las cambiantes densidades ópticas del aire. Cuando un objeto envía rayos de luz a la atmósfera, atraviesan múltiples capas de aire de densidades variadas y son refractados por la atmósfera.

Algunos hechos relacionados con la Refracción Atmosférica son:

• Posición aparente de la estrella: Es causada por la refracción de la luz de las estrellas en la atmósfera. Existen diferentes temperaturas y densidades en diferentes capas de la atmósfera. Como resultado, tenemos una amplia gama de medios para elegir. Como fuente de luz, se utiliza una estrella lejana. Cuando la luz de las estrellas entra en la atmósfera terrestre, sufre una refracción continua y se desvía hacia lo normal a medida que su índice de refracción cambia de raro a grueso. Como resultado, la posición aparente de la estrella se desvía de su verdadera posición. La estrella parece ser más grande de lo que es.

• Twinkling of Star: También se debe a la refracción atmosférica. Un solitario punto de luz proviene de una estrella lejana. La posición aparente de la estrella cambia cuando el haz de luz de la estrella se desvía de su trayectoria debido a la condición física de la atmósfera terrestre. Como resultado, la cantidad de luz que entra en nuestros ojos cambia, siendo brillante a veces y apagada en otros. El «Efecto de centelleo de estrellas» es el nombre de este fenómeno.

Dispersión de luz

Una parte de la luz es absorbida por las partículas del medio cuando pasa de un medio a otro, como el aire o un vaso de agua, seguido de una radiación posterior en una dirección específica. Este fenómeno se conoce como dispersión de la luz. 

La intensidad de la luz dispersada está influenciada por el tamaño de las partículas y la longitud de onda de la luz. Las longitudes de onda más cortas y las frecuencias más altas se dispersan más debido a la ondulación de la línea y su interacción con una partícula. Es más probable que una línea choque con una partícula si es ondulada. Las longitudes de onda más largas, por otro lado, tienen una frecuencia más baja y son más rectas, lo que significa que tienen una menor probabilidad de colisionar con una partícula. Por la tarde, se puede ver la curvatura de la luz multicolor debido a la refracción y la reflexión interna total de la luz. La longitud de onda de la luz solar genera diferentes colores en diferentes orientaciones. La teoría de la dispersión de Rayleigh explica el color rojo del sol por la mañana y el color azul del cielo.

Diferentes formas de dispersión de la luz.

La dispersión de la luz tiene lugar en muchas formas que se analizan a continuación como:

• Dispersión Elástica: Cuando la energía de los haces de luz incidente y disperso es la misma.
• Dispersión inelástica:  cuando la energía del haz de luz incidente y el haz de luz disperso difieren. La dispersión inelástica se clasifica además en cuatro tipos:
  • Dispersión de Rayleigh:  cuando la radiación (luz) interactúa con moléculas y partículas en la atmósfera que tienen un diámetro menor que la longitud de onda de la radiación entrante, se produce la dispersión de Rayleigh. Las longitudes de onda más largas se dispersan más fácilmente en comparación con las longitudes de onda más cortas. Las partículas pequeñas, como el NO2 y el O2, dispersan la luz con longitudes de onda más cortas (como la luz visible azul y violeta). La luz roja, que tiene una longitud de onda más larga, se dispersa más en la atmósfera que la luz azul. La luz solar entrante viaja una mayor distancia a través de la atmósfera al amanecer y al anochecer. Debido a que la ruta más larga dispersa las longitudes de onda cortas (azules), solo vemos las longitudes de onda de luz más largas (roja y naranja).
  • Dispersión de Mie: cuando la longitud de onda de la radiación electromagnética es similar al tamaño de las partículas de aire, se produce la dispersión de Mie. La dispersión de Mie afecta a los fotones en las regiones del espectro desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo medio. La dispersión de Mie ocurre principalmente en la atmósfera inferior cuando el cielo está nublado, donde las partículas más grandes son más frecuentes. La dispersión de Mie es causada principalmente por el polen, el polvo y la contaminación. Por ejemplo, Mie Scattering hace que las nubes parezcan blancas.
  • Efecto Tyndall: Una variedad de diminutas partículas componen la atmósfera terrestre. El humo, las pequeñas gotas de agua, las partículas de polvo en suspensión y las moléculas de aire son ejemplos de estas partículas. La trayectoria de un haz de luz se vuelve visible cuando choca con partículas tan pequeñas. Después de ser reflejada difusamente por estas partículas, la luz nos llega. El efecto Tyndall es causado por partículas coloidales que dispersan la luz. El fenómeno ocurre cuando un fino rayo de luz solar ingresa a una habitación llena de humo a través de un pequeño orificio. Las partículas se vuelven visibles como resultado de la dispersión de la luz. Cuando la luz del sol penetra a través de un denso dosel forestal, el efecto Tyndall es notable. La luz es dispersada por pequeñas gotas de agua en la niebla. El tamaño de las partículas dispersas determina el matiz de la luz dispersada. Las partículas muy pequeñas dispersan la luz de longitud de onda más corta, mientras que las partículas más grandes dispersan la luz de longitud de onda más larga. La luz dispersada puede parecer blanca si las partículas dispersas son lo suficientemente grandes.
  • Efecto Raman:  la dispersión Raman es la dispersión de fotones a niveles de energía más altos mediante la estimulación de moléculas. La energía cinética de la partícula incidente se pierde o se adquiere, con componentes de Stokes y anti-Stokes, porque los fotones se dispersan de forma inelástica.

Factores que afectan la dispersión de la luz

• Tamaño de las partículas: El color de la luz dispersada depende del tamaño de las partículas.
  • Las partículas diminutas dispersan la luz de una longitud de onda más corta.
  • Las partículas grandes dispersan la luz de una longitud de onda más larga.
• La longitud de onda del rayo: La dispersión es inversamente proporcional a la longitud de onda.

Dispersión ∝ 1/λ    

donde λ denota la longitud de onda del rayo. Cuanto mayor sea la longitud de onda, menor será la dispersión. Cuanto menor sea la longitud de onda, mayor será la dispersión.

Aplicaciones prácticas de la dispersión de la luz

• Color azul del cielo: el color azul tiene una longitud de onda más corta en comparación con el color rojo. Como sabemos que, la dispersión ∝ 1/λ. Por lo tanto, el color azul se dispersa más por diminutas partículas en la atmósfera durante el día. La atmósfera tiene la presencia de varios gases como el Nitrógeno (N ₂ ) y el Oxígeno (O ₂ ). Estas moléculas de gas son de tamaño muy pequeño y forman una solución coloidal (Gas-in-Gas). Las partículas de pequeño tamaño dispersan rayos de longitud de onda más corta y el color azul, al ser de longitud de onda más corta, se dispersa con más fuerza y ​​le da una apariencia azul al cielo. El espacio parece oscuro para los astronautas, ya que no hay atmósfera. Sin la atmósfera, las partículas diminutas no estarían allí para dispersar la luz, lo que daría una apariencia oscura.
• ¿Por qué las señales de peligro son de color rojo? La longitud de onda del color rojo es más larga en comparación con otros colores del espectro (siete colores formados debido a la refracción a través de un prisma). Como los rayos de longitud de onda más larga son menos dispersados ​​por las partículas de polvo y humo, el color rojo llega a distancias lejanas y ayudaría a que las señales de peligro lleguen más rápido y a lugares más distantes. Todos los demás colores se dispersan durante la noche y el color rojo llega a nuestros ojos.
• Aspecto rojizo del sol durante la salida y la puesta del sol: Durante la salida y la puesta del sol, los rayos tienen que recorrer una mayor distancia a través de las capas de la atmósfera porque están muy cerca del horizonte. Por lo tanto, todos los demás colores, excepto el color rojo, se dispersan y el color rojo permanece. La mayor parte de la luz roja, que es la menos dispersada por las partículas, entra en nuestros ojos. Por lo tanto, el sol y el cielo aparecen rojos. Al mediodía, el sol aparece blanco a medida que se dispersa menos luz azul.

Problemas de muestra

Problema 1: ¿De qué color parece ser el cielo despejado durante el día? Dar una explicación.

Solución:

El azul es el color del cielo durante todo el día. Esto se debe a que el tamaño de las moléculas de aire y otras partículas finas en la atmósfera es más pequeño que la longitud de onda de la luz visible. Debido a esto, estas partículas dispersan los rayos de luz de longitudes de onda más cortas en el extremo azul de manera más eficiente que los rayos de luz de longitudes de onda más largas en el extremo rojo. Es por eso que la luz azul dispersa nos da la impresión de un cielo azul cuando entra en nuestros ojos.

Problema 2: ¿Qué se entiende por dispersión de la luz? 

Solución:

La dispersión de la luz es la propagación de la luz en diferentes direcciones aleatorias. La luz se dispersa cuando encuentra varios tipos de partículas suspendidas a lo largo de su camino. El color de la luz dispersada está determinado por el tamaño de las partículas dispersas en el entorno.

• Las gotas más grandes de polvo y agua en la atmósfera dispersan la luz con longitudes de onda más largas, dando a la luz dispersa una apariencia blanca.
• Las partículas muy pequeñas del entorno, como las moléculas de aire, dispersan la luz azul contenida en la luz blanca del sol.

Problema 3: ¿Por qué el sol se ve rojizo temprano en la mañana?

Solución:

Al amanecer, el sol sale cerca del horizonte terrestre (temprano en la mañana). La luz del sol cerca del horizonte debe viajar a través de vastas capas de aire y una gran distancia a través de la atmósfera terrestre antes de llegar a nuestra vista. Las partículas en la atmósfera dispersan la mayoría de los rayos de luz azul con longitudes de onda más cortas cerca del horizonte. Como resultado, estamos expuestos a la luz roja con longitudes de onda más largas. Como resultado, el sol adquiere un color carmesí.

Problema 4: ¿Por qué se usa el color rojo para hacer una señal o señal de peligro?

Solución:

Cuando el rojo choca con pequeñas partículas de niebla y humo, se dispersa más ya que tiene la longitud de onda más larga (espectro visible). Como resultado, podemos ver claramente el color rojo incluso desde una gran distancia.

Problema 5: En un día de niebla, ¿por qué el conductor usa luces naranjas en lugar de luces blancas?

Solución:

Cuando un conductor usa luz blanca mientras conduce con niebla, las diminutas gotas de agua dispersan una gran cantidad de luz azul. Esta luz azul difusa reduce la visibilidad y hace que conducir sea un desafío. La luz naranja no se dispersa debido a su mayor longitud de onda, lo que permite que el automovilista vea con claridad.