Los colores y la absorción de longitudes de onda

in #stem-espanol6 years ago (edited)

La absorción de longitudes de onda

¡Hola!

Cuando era un niño siempre me sentía feliz con la llegada del mes de Diciembre, ya que estaría de vacaciones escolares y vendrían los adornos de la Navidad cargados de luces y colores!. Por allí comienza mi curiosidad científica en los temas de Física, Química y Biología, pero me centré más en lo primero, sobre todo en energías alternativas y tecnología. Siempre recuerdo la frase de un amigo "sin energía nada se mueve", no hay desarrollo, ni avance, ni investigación y me atrevería a decir que no habría vida, tampoco
colores
, ya que están estrechamente vinculados energía y colores.

Ya en mis clases de bachillerato vi las ecuaciones de energía y su dependencia con la velocidad de la luz, frecuencia, mejor escribo la ecuación y sus variadas relaciones con estos parámetros: E(eV) = hν = hc/λ = 1240/λ(nm), pero ¿de dónde sale esta última relación? Lo primero que debemos saber es el significado de cada letra y el valor del parámetro que representa, así E es la energía expresada en electronvoltio (eV) "el electrón experimenta una variación de energía al moverse entre una diferencia de potencial", h = 4,1356675x10-15 eV*s es la constante de Planck "que relaciona la dependencia de la energía con la frecuencia de oscilación" de los fotones, c = 2,9979x1017 nm/s "representa la velocidad de la luz en el vacío" y λ es la longitud de onda expresada en nanómetros (nm) y como lo mencioné en el post sobre la explicación científica de los colores, cada color tiene una asignación de longitud de onda en el rango visible o viceversa.

    Teniendo como base la ecuación de E = 1240/λ la usaré para explicar, en la gran comunidad #stem-espanol, algunos detalles de la
    absorción de longitudes de onda
    y el color que percibimos de los objetos, mostraré un pequeño video al estilo de la Física experimental para analizar las transiciones electrónicas que ocurren en diferentes materiales.

En la siguiente fotografía quise representar los colores básicos derramando una gota de colorante artificial para alimentos dentro del lavamanos, al menos me sirvió para la imagen principal de este post.


Colores en el lavamanos, fotografía original de @azulear

En mi post anterior el compañero @josedelacruz relacionaba la percepción del color con la absorción de las longitudes de onda de la luz incidente, pues ciertamente se dan los fenómenos de transmisión (T), reflexión (R) y absorción (A) de los fotones que inciden sobre el objeto que observamos, vean que aquí utilizo indistintamente términos de onda o partícula gracias al principio de dualidad de la luz!

Absorción de longitudes de onda

No me voy a extender en la explicación sobre el origen de los colores y su percepción, pero sí debo resaltar que los colores que vemos de los objetos es un efecto combinado de A+T+R, por ejemplo en la siguiente figura tomé unos frascos plásticos y transparentes y los llené con agua, les agregué una gota de colorante para alimentos y los coloqué uno al lado del otro tomando en cuenta la distribución de colores en el espectro electromagnético.


Colores en el rango visible, fotografía original de @azulear

Al hacer incidir luz blanca que contiene todas las longitudes de onda en el rango visible sobre el envase con colorante amarillo se absorberán todas las longitudes de ondas correspondientes a los demás colores menos la λ = 580 nm correspondiente al amarillo puro. De igual manera sucede con los demás envases con colorantes.


Percepción de colores según su longitud de onda, fotografía original de @azulear

En este proceso interviene el concepto de energía, el band gap o brecha energética entre la banda de valencia y la banda de conducción y la longitud de onda relacionada con la energía, recordemos la ecuación E = 1240/λ. Creo que para entender mejor este proceso debo recurrir a un par de reactivos o compuestos binarios muy conocidos en Química, el Sulfuro de Cadmio (CdS) que se percibe de color AMARILLO y el Trisulfuro de Antimonio (Sb2S3) entre naranja y rojo oscuro.


Compuestos binarios y sus colores, CC Creative Commons, por Johannes Schneider

La explicación física tiene que ver con las transiciones energéticas que se dan entre las bandas energéticas, la de valencia y de conducción de estos compuestos binarios. Existen reportes de los valores del band gap (BG) de estos compuestos, BG(Sb2S3) entre 1,5 y 1,8 eV correspondientes a una λ entre 826 y 688 nm, respectivamente. En la siguiente composición de imágenes se observa este rango de λ y su respectiva percepción de colores, se aprecia claramente que el color observado en el frasco de la figura anterior se corresponde muy bien con el rango mostrado abajo.


Rangos de longitud de onda y band gap de compuestos binarios, imagen original de @azulear

En el caso del Sulfuro de Cadmio su BG(CdS) está entre 2,2 y 2,42 eV correspondientes a una λ entre 564 y 512 nm, respectivamente. Su color característico es el amarillo y en la figura anterior se muestra un amplio rango que abarca el verde, pero es bueno recordar el fenómeno del centro de color que expliqué en el post anterior y el color amarillo puro del Azufre (S) elemental influye marcadamente en el color AMARILLO del CdS.

    De esta manera, ya relacionamos la energía con la longitud de onda, además queda comprobada la relación de la percepción de color con las transiciones energéticas.

Ahora surge otra interrogante, si la fuente de iluminación es una luz roja proveniente de un láser e ilumino cada uno de los frascos con colorantes ¿cuál de ellos va a absorber la radiación coherente de color roja?, veamos un pequeño experimento casero para analizar el fenómeno.

Vídeo de Absorción de longitudes de onda y Filtro de colores

Voy a presentar un vídeo de absorción de longitudes de ondas y reflexión de una longitud de onda correspondiente a cada color individual, por eso vemos el contenido líquido de cada frasco con los siguientes colores, de izquierda a derecha: violeta, azul, verde, amarillo, naranja y rojo.

Demostración experimental de filtro de color, vídeo original de @azulear

Cuando hago incidir la luz blanca del diodo incorporado en el puntero, se observa en la superficie de la pantalla de papel blanco que está detrás de los frascos la percepción del color correspondiente y sucede por el fenómeno de absorción de todas las longitudes de ondas, menos la λ(amarillo) por reflexión que es la que vemos desde el frente y la λ(amarillo) por transmisión que es la que observamos en la pantalla al fondo.

¿Qué es el filtro de color?

En este mismo vídeo de Física experimental se observa que cuando hago incidir luz coherente de color roja del puntero láser atraviesa el líquido rojo, naranja, amarillo y verde, pero a través del azul y el violeta no se transmite el haz de λ(rojo) = 670 nm. Aquí es donde aparece el término
filtro de color
y no es más que un proceso de atenuación o supresión de longitudes de ondas más alejadas del valor de la λ del color que actúa de filtro, esto parece un juego de palabras que resulta algo confuso, pero con esta imagen podemos comprender mejor.


Filtro del color rojo, imagen original de @azulear

Los procesos físicos que ocurren se deben a transiciones energéticas, la transmitancia óptica del láser rojo se va atenuando hasta desaparecer en el frasco con líquido azul y violeta por la absorción y reflexión de la longitud de onda del azul y violeta, también debería desaparecer con el verde pero creo que la potencia del láser era mayor de 50 W.

    Espero haber contribuido al conocimiento básico que tenemos de los fenómenos físicos, los que suceden a nuestro alrededor y no le damos la importancia que merecen o simplemente no la disfrutamos como debería ser!, la vida es única, la ciencia y tecnología están para que tengamos una calidad de vida extraordinaria.

En algún momento me animaré a escribir un post para hablarles de la influencia del medio ambiente, social y psicológica que nos pueden inducir a estudiar los temas científicos y tecnológicos de manera natural.

Referencias para saber más acerca de este tema:

  • Energy Unit Conversions
  • Bandas prohibidas de semiconductores
  • Color: absorción y reflexión
  • Antimony Sulfide Absorbers in Solar Cells
  • Libro: Inorganic Chemistry by A. F. Holleman, Egon Wiberg, Nils Wiberg
  • Cadmium Sulfide
  • Libro: Colour and the Optical Properties of Materials by Professor Richard J. D. Tilley. 2011 John Wiley & Sons, Ltd
  • Montaje creado Bloggif

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    Resulta interesante ver como se comporta la realidad, son artículos como este y los videos de Crespo (QuantumFracture) los que ayudan a ampliar el conocimiento, y eso es bastante respetable caballero.

    Gracias caballero @writtenlegend por su comentario. La Física Experimental es una buena herramienta para ampliar el conocimiento de una manera directa, fácil y sencilla.

    Hola @azulear. Buenísima explicación. Me has hecho pensar en un posible post sobre la luz. Saludos.

    Esta interacción es productiva, recuerdo que este post tuvo su origen en tu comentario anterior.

    Hola. También lo recuerdo. Te invito a leer mi último post.

    Maravillosa explicación!

    Muchas gracias, espero que te haya ayudado a comprender el tema de colores, longitud de onda y energía

    Excelente articulo, en realidad la energía su comportamiento y transformación en todo lo que conocemos incluyendo nuestro cuerpo y lo que conocemos como realidad tiene bases en la teoría de PLANCK ya que todo es energía.

    Has dado en el punto clave de todo ENERGÍA. Gracias por tu apoyo.

    Un cordial saludo. De verdad me encantó tu explicación. En fisioterapia usamos agentes electrofísicos y es importante tener claro estos aspectos físicos para entender la biofísica, más si de láser se trata donde justamente las longitudes (por ende los colores) hacen la diferencia en el tejido que los absorbe y por ende el efecto terapéutico es diferente. De verdad me encantó... Uno estudia Fisioterapia pensando en hueso y músculos y te encuentras con física, química, matemática, biomecánica jajaja... Saludos y gracias.

    Saludos para ti también @fisiomonica. Me alegra mucho saber que te gustó mi post. En realidad creo que las aplicaciones que se dan al láser puede tocar en algún momento otras áreas del saber: medicina, ingeniería, ciencias, etc. Gracias a ti por tu valioso comentario.

    Buen trabajo mi estimado @azulear
    Excelente como tratas el tema de los colores y tiene mucho que ver con las transiciones de energía entre las bandas de valencia y conducción, ya lo he explicado en mis publicaciones. Yo lo aplico constantemente en el área de semiconductores para determinar el valor de la brecha de energía de los materiales que pueden usarse como absorbentes en prototipos de celdas solares y otros dispositivos sensibles a la radiación de luz.

    Ciertamente la relación entre la brecha energética y los colores es un tema que está muy ligado al área de los semiconductores. El control de las longitudes de ondas es muy usada en la caracterización de esos materiales. Muchas gracias por sus palabras de apoyo @iamphysical.

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    Interesante abordaje del tema de los colores, para reflexionar tu punto de vista, y todo desde el origen del estudio de la Física, gracias por compartir!!!

    La percepción de los colores y el origen de los mismos siempre ha sido motivo de investigación científica y tecnológica donde se involucran principalmente la Física, Química y Biología.

    Thank you for the good work this news and information is very useful and suitable for reference in speaking and also suitable for new science

    The Optical Physics has a wide range of action and the theme of energy and colors is one of the most exciting because you can perform all kinds of experimentation.

    @azulear Didáctico experimento de las propiedades de la luz

    Gracias @germanmontero, estoy tratando de presentar los temas científicos y tecnológicos de una manera didáctica para hacerla más accesible al público que se inicia o se interesa en estas áreas.

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