5. Dispersión de la luz

Como has aprendido, el índice de refracción de un medio material toma valores distintos para cada longitud de onda. La ley de la refracción indica que si las luces que inciden sobre una superficie tienen distintas longitudes de onda, se refractan con ángulos diferentes. La luz blanca es una mezcla de todas las ondas electromagnéticas del espectro visible (del rojo al violeta), por lo tanto, cada color se refractará con un ángulo distinto. Este fenómeno, que recibe el nombre de dispersión puedes observarlo en el enlace Refraction of Light.

Animación 6. Kalki. Dominio público.
Imagen 32. Elaboración propia.

Para potenciar este efecto puedes utilizar un prisma, ya que así se incrementa la separación al experimentar la segunda refracción. Es lo que hizo Isaac Newton para obtener la dispersión de la luz en los colores del espectro visible. Newton demostró que los colores se pueden recombinar para formar la luz blanca original.

En la animación puedes observar como la luz violeta es la que más se desvía y la roja la que menos.

En la Naturaleza puedes observar este fenómeno cuando te encuentras entre el Sol y una zona de lluvia. Lo que ves es el arco iris.

Imagen 33. Peo. Creative commons.

El proceso es el siguiente: un rayo de luz blanca incide sobre una gota de agua, se refracta en la cara anterior penetrando en la gota; en la superficie posterior se refleja y regresa refractándose nuevamente para salir al aire.

Los distintos colores salen de la gota formando un ángulo de entre 40º y 42º con la luz blanca incidente.

Cuando el observador mira el arco iris recibe de cada gota de agua el rayo de un color, pero en conjunto ve todos los colores del espectro visible considerando todas las gotas (más altas y más bajas). Por este motivo se ve en forma de arco, todas las gotas del mismo color están sobre un arco de circulo ya que siempre mira con el mismo ángulo.

Normalmente, el arco iris se ve doble ya que hay una segunda forma de marchar los rayos dentro de la gota de agua, con dos reflexiones. El arco secundario se observa con un ángulo entre 52º y 54º, ya que se producen dos reflexiones en la gota antes de salir. En este segundo arco iris los colores están invertidos y su intensidad es menor que la del arco iris primario.

En la figura se muestra como se forman los arco iris primarios y secundarios debido a la descomposición de la luz blanca en gotitas esféricas de agua:

  1. Gotitas esféricas
  2. Lugares donde ocurre el reflejo interno de la luz
  3. Arco iris primario
  4. Lugares donde ocurre la refracción de la luz.
  5. Arco iris secundario
  6. Rayos entrantes de luz blanca
  7. Recorrido de la luz que forma el arco iris primario
  8. Recorrido de la luz que forma el arco iris secundario
  9. Observador
  10. Región que forma el arco iris primario
  11. Región que forma el arco iris secundario
  12. Zona en la atmósfera llena de incontables diminutas gotitas esféricas
Icono de iDevice Ejemplo o ejercicio resuelto

Un haz de luz emitido por un gas, incide con un ángulo de 40º sobre la cara de un prisma de ángulo de refringencia 60º. Se observa que emergen dos colores uno azul y el otro rojo. ¿Cuál es el ángulo de dispersión para estos dos colores al salir del prisma?

Imagen 34. Elaboración propia.

Datos: El índice de refracción de este prisma para el azul es nA = 1,64 y para el rojo nR = 1,61.


Icono de iDevice AV - Reflexión

Un rayo de luz blanca incide desde el aire sobre una lámina de vidrio con un ángulo de incidencia de 30º. ¿Qué ángulo formaran entre sí los rayos rojo y violeta en el interior del vidrio?

Datos: El índice de refracción de este vidrio para el violeta es nV = 1,67 y para el rojo nR = 1,61.

Icono IDevice Pre-conocimiento

El color del cielo

 

El cielo diurno es azul pero en los amaneceres y atardeceres predominan las tonalidades rojizas. La explicación de esto tiene relación con un fenómeno denominado difusión o esparcimiento de la luz.

Cuando existen partículas en suspensión en el aire se producen reflexiones difusas de la luz que llega a estas partículas y se hacen visibles lateralmente. Este es el conocido efecto Tyndall que se produce cuando los faros del coche iluminan la niebla o entra un rayo de Sol a través de una rendija en una habitación.

Imagen 36. DesiertoAtacama.
Creative commons.
Imagen 35. Buho30. Creative commons.

Si las partículas son mucho menores que la longitud de onda de la luz, al recibir la radiación solar captan parte de su energía y la emiten a su entorno en cualquier dirección. Este fenómeno es conocido como difusión Rayleigh.

La intensidad de la luz difundida es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Esto significa que la intensidad difundida correspondiente al azul y al violeta es considerablemente mayor que la del rojo. Por este motivo vemos el cielo azul (la sensibilidad de nuestros ojos al violeta es mucho menor que al azul) excepto en el haz directo en el que vemos al Sol amarillo-rojizo (falta el azul). En los amaneceres y atardeceres la luz solar atraviesa un mayor tramo de atmósfera, la luz azul se ha esparcido mucho, mien­tras que la luz roja no ha sufrido tanta difusión y es capaz de atravesar más distancia atmosférica. Por esta razón, la componente azul de la luz que nos llega del Sol en los crepúsculos ha sido eliminada por la difusión y la luz es claramente rojiza.

Cuando el tamaño de las partículas es igual o mayor que la longitud de onda de la luz, la difusión crece y todos los colores sufren pare­cida difusión, lo que da lugar al blanco. Por este motivo las nubes son blancas. Este fenómeno se observa también cuando el cielo está nublado (el gris es, en realidad, blanco atenuado) o cuan­do hay mucho polvo en suspensión ( color azul-blanquecino del cielo de los núcleos urbanos contaminados). Ocurre lo mismo con el humo de las chimeneas (blanco-grisáceo) debido al tamaño de las par­tículas en suspensión que salen de las chimeneas.

Un fenómeno asociado con lo que acabamos de explicar es el de la colora­ción rojiza que adquiere la Luna en sus eclipses. Esto se debe a que sólo la componente rojiza de la luz solar es capaz de atravesar la atmósfera terrestre y es, así, la única componente que se proyecta sobre nuestro satélite.

Imagen 37. NASA. Dominio público.

En la Luna, donde no hay atmósfera apreciable, no se produce este fenó­meno, por lo que su cielo, aun de día, es profundamente negro.

En Marte, que posee una tenue atmosfera de dióxido de carbono, el polvo formado por granos muy finos da lugar a una coloración rosa salmón. En la imagen se reproduce una puesta de Sol observada desde la superficie de Marte por el Mars Exploration Rover: Spirit en el cráter Gusev el 19 de mayo de 2005.