Capítulo 1 - Naturaleza de la luz (c) Paco Rosso, 2014 Fecha actual:04/10/15 Fecha revisión: 04/10/15

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1 Capítulo 1 - Naturaleza de la luz (c) Paco Rosso, 2014 Fecha actual:04/10/15 Fecha revisión: 04/10/15 1.1De la naturaleza física de la luz Concepto de luz La luz es la radiación electromagnética de alrededor de 600 terahercios. Es decir, es una onda de radio de seiscientos mil gigahercios. En iluminación preferimos hablar en términos de la longitud de onda que de la frecuencia de la onda de radio. La luz es la radiación electromagnética cuya longitud de onda está entre 380 y 740nm (nanómetros, un nanómetro en la millonésima parte de un milímetro). El ojo responde a estas ondas de radio. A las ondas de radio de algo menos de 380nm y algo más de 740nm también las consideramos luz aunque no podamos verla. Las radiaciones de menos de 380nm son las ultravioletas (UV). Resultan altamente nocivas para los seres vivos. A las radiaciones de más de 740nm las llamamos infrarrojas (IR) y son inocuas. Históricamente se habían observado tres fenómenos que resultaron ser la misma cosa, tener el mismo origen. Estos son: la electricidad, el magnetismo y la luz. Las tres son diferentes manifestaciones de una misma verdad, la radiación electromagnética que corresponde con una de las cuatro interacciones universales entre la materia. Las otras tres son la de corta distancia, la de larga distancia y la gravitatoria Herramientas matemáticas para el estudio de la luz La luz se puede estudiar mediante tres herramientas matemáticas. Cada una de estas tres herramientas resulta incompleta para explicar totalmente la luz. Es decir, ninguna es capaz de explicar satisfactoriamente todo lo que observamos en la luz. Las tres herramientas son: 1. La geometría. 2. La teoría de ondas. 3. La teoría corpuscular. Hay cosas que no puede explicar la geometría, por ejemplo, la difracción. Hay cosas que puede explicar la teoría de ondas, como la difracción, pero falla con otras como por ejemplo por qué si la luz es una onda produce sombras. Por su parte la teoría corpuscular explica algunas de estas cosas pero no otras, como por ejemplo la difracción, que si se puede entender con la teoría de ondas. De manera que a menudo se dice que la luz es a la vez onda y corpúsculo, con lo que debemos entender que a veces nos interesará usar las matemáticas de las ondas y otras veces las matemáticas de los corpúsculos Geometría Las matemáticas de la geometría tratan la luz como una recta que llamamos rayo. El rayo explica la transmisión recta, la reflexión y la refracción Ondas (c) Paco Rosso, 2014-cal--Artículo o ejercicio- 1/7

2 Las matemáticas de las ondas tratan la luz como si fuera una onda. Por tanto tiene una amplitud y una frecuencia. Preferimos trabajar con la longitud de onda que con la frecuencia. La longitud de onda es la distancia que separa dos puntos de una misma onda de igual amplitud. Las longitudes de onda de la luz van de 380 a 740nm Corpúsculos Las matemáticas de los corpúsculos tratan la luz como si estuviera formada por un chorro de partículas llamas fotones. La energia que transporta cada fotón es directamente proporcional a su longitud de onda. El factor de proporcional es la constante de Boltzman. E=h λ Lambda es la longitud de onda, y no nos debemos dejar engañar por la palabra longitud en su nombre, ya que aunque sugiere distancia no indica ninguna y es tan solo la propiedad característica de cada fotón. Lambda es el nexo de unión entre la teoría corpuscular y ondulatoria. La propiedad perceptiva de cada fotón es que tiene un color. Los fotones son de colores. Cada fotón tiene una longitud de onda, que nuestra cabeza traduce como un color concreto. Cuando la luz tiene únicamente un único tipo de fotones decimos que su color es monocromático Propiedades de la luz Las propiedades de la luz son las siguientes: 1. Espectro 2. Transmisión 3. Reflexión 4. Refracción 5. Dispersión 6. Coherencia 7. Polarización Espectro El espectro luminoso es el conjunto de frecuencias que forman la radiación. Es decir, las frecuencias que forman la luz. El espectro lo traducimos mentalmente como color. El espectro o de la luz abarca las radiaciones electromagnéticas entre 380 y 740nm Transmisión La luz se transmite en línea recta. Solo se curva en presencia de un campo gravitatorio muy grande, como el producido por un planeta. Para los temas que vamos a tratar la luz viaja según una línea recta Reflexión La reflexión es la capacidad de la luz para cambiar de dirección y aparece siempre cuando el medio por el que viaja cambia de caracteristicas. Hay dos tipos de reflexiones: 1. Especular. 2. Difusa. Reflexión especular (c) Paco Rosso, 2014-cal--Artículo o ejercicio- 2/7

3 El rayo de luz dirigido hacia una superficie cambia de dirección al tocarla siguiendo las siguientes condiciones: 1. El ángulo con que abandona la superficie es el mismo que el ángulo con el que la ataca. (El ángulo se mide siempre a partir de la normal al plano en punto en el que el rayo toca a la superficie. Normal al plano significa perpendicular). 2. Ambos rayos de luz, incidente y reflejado, están en un plano perpendicular a la superficie en la que se refleja. Es decir, el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal al plano que hace de eje de simetría en la reflexión tienen que estar en el mismo plano. De forma coloquial vamos a decir que en la reflexión especular la luz rebota en la superficie. Reflexión difusa En la reflexión difusa el rayo toca la superficie y la abandona en todas las direcciones. Coloquialmente decimos que la luz salpica. La reflexión es difusa pura cuando la luminancia de la superficie en la que se refleja es la misma desde cualquier dirección que la miremos. Es decir, si tienes una superficie difusa pura verás que siempre brilla igual la mires desde donde la mires. El factor de reflexión Es una magnitud de la reflexión difusa. Consiste en dividir la luminancia de la muestra que queremos caracterizar por la luminancia dada por un patrón perfetamente difuso en las mismas condiciones de iluminación y de medición. Las condiciones de iluminación son dos: luz a 0º (perpendicular al plano) o luz a 45º. Las condiciones de medición son las mismas: fotómetro a 45º o a 0º. Si la muestra tiene brillos especular el factor de reflexión puede ser mayor del 100% Refracción La refracción es el cambio de dirección que sufre el rayo de luz cuando pasa de un medio a otro. Por ejemplo, al atravesar un vaso, al pasar del aire al agua, etc. El ángulo con que se desvía depende del coeficiente de refracción que es el porcentaje en que la velocidad de la luz en el medio difiere de la velocidad de la luz en el aire. Se obtiene dividiendo la velocidad de la luz en el medio entre la velocidad de la luz en el aire Dispersión Cuando el rayo de luz encuentra objetos cuyo tamaño es más o menos el de su longitud de onda se divide en varios rayos que toman direcciones diferentes. Coloquialmente: el rayo de luz se rompe. La dispersión se produce con el polvo en el aire y con las moléculas de agua. En la atmósfera hay dos tipos principales de dispersión: la de Raylight, que es la responsable del color azul del cielo, y la de Lee que es la razón por la que aparecen a la vista las nubes Coherencia La coherencia es un intento de explicar por qué cuando dos haces de luz se cruzan no se interfieren entre si. La coherencia se explica con la teoría corpuscular y viene a decir que la luz se emite en forma de paquetes, y no de forma contínua. Estos paquetes son como salvas de luz entre las que no hay nada. Al cruzarse dos haces no se interfieren porque nunca llegan a coincidir dos paquetes Polarización La polarización es el ángulo con el que están girados los campos magnetico y eléctrico respecto de la dirección en que se transmite la luz. (c) Paco Rosso, 2014-cal--Artículo o ejercicio- 3/7

4 La luz va en una dirección. El campo magnético del fotón apunta en una dirección perpendicular a la del movimiento. El campo eléctrico apunta a otra dirección perpendicular a las dos anteriores. Pero este triedro puede estar girado sobre la direción de la luz. Un fotón apunta hacia arriba y en otro puede apuntar en una dirección diferente. (c) Paco Rosso, 2014-cal--Artículo o ejercicio- 4/7

5 1.2 OTRAS LECTURAS SOBRE LO MISMO La naturaleza de la luz «Luz» son las ondas de radio de frecuencia al rededor de 600 terahercios. Llamamos luz a la radiación electromagnética con longitudes de onda entre 380 y 740 nanómetros. La radiación electromagnética forma una de las cuatro interacciones que existen en la naturaleza. La radiación electromagnética es la naturaleza última de tres fenómenos observados por el hombre que son: la atracción de la magnetita (un mineral) por los metales, la atracción que el ámbar (un tipo de resina) tiene sobre algunos cuerpos (papel, vello) y la luz visible. Aunque magnetismo, electricidad y luz son, en el fondo, lo mismo han sido estudiados por separado. Durante el siglo XVIII aprendimos que electricidad y magnetismo van siempre juntos. Durante un tiempo, incluso se pensó que había dos tipos de magnetismo, el producido por la electricidad y el de los imanes permanentes pero a principios del siglo XX nos dimos cuenta de que este tipo de imanes genera el campo magnético debido a corrientes eléctricas internas. En la segunda mitad del siglo XIX inventamos la radio, una aplicación práctica de la radiación electromagnética. Resultó que conforme usábamos ondas de mayor frecuencia nos percatamos de que la señal de radio se hacía cada vez más rectilínea, que las antenas debían «verse» entre si, sin que hubiera objetos entre medio porque causan como «sombras». El caso es que conforme empezábamos a utilizar las ondas de radio de mayor frecuenta, las ondas cortas empezaban a comportarse como la luz. Al final llegamos a la conclusión de que la luz eran ondas de radio de una frecuencia bastante más alta que las utilizadas normalmente para comunicarnos y que nuestros ojos, en realidad, son antenas químicas (en vez de capacitivas como las empleadas en comunicaciones) capaces de sintonizar estas ondas de radio. Hay tres maneras de trabajar intelectualmente con la luz. Cada una de estas maneras está basada en una herramienta matemática y son: la geometría, la teoría de ondas y la teoría cuántica. El problema está en que ninguna de estas tres herramientas es capaz, por si sola, de explicar todo lo que percibimos en la luz. Lo que explica bien una, no lo hace tan bien otra. Por ejemplo, la fotoelectricidad se explica bien con la teoría cuántica pero no con la geométrica ni con la de ondas. Por otra parte, empleando las matemáticas de las ondas entendemos mejor como la luz ocupa todo el espacio, algo que no acabamos de comprender usando la cuántica, que dice que la luz está formada por «cuantos», por partículas que transmiten la radiación electromagnética. Lo cierto es que todo este conocimiento tiene su utilidad para los físicos y para quienes fabrican lámparas y materiales fotosensibles, pero para nosotros, fotógrafos, este conocimiento solo nos sirve como cultura general. Si para comprender la luz usamos la herramienta de la geometría entonces la representamos mediante una línea recta que llamamos rayo. La luz se transmite en forma de línea recta y podemos calcular la desviación que sufre al rebotar (reflejarse) en una superficie o al atravesar (refractarse) una lámina. Las matemáticas de las ondas nos da una imagen de la luz según la cual la radiación electromagnética está formada por ondas, una repetición, periódica, de un fenómeno indeterminado a lo largo del espacio y el tiempo. Las matemáticas de la física cuántica nos presenta la luz como formada por partículas que llamamos fotones y que se caracterizan por un número que, desafortunadamente, se llama longitud de onda. Desafortunadamente porque en el nombre aparece la palabra «longitud» que nos sugiere cierta idea de distancia y, aunque tiene unidades de ésta magnitud, no significa que la propiedad tenga referencia alguna a el espacio mediante entre dos puntos. Éste valor relaciona la teoría cuántica con la de ondas porque la longitud de onda aparece en ambas herramientas matemáticas, tanto en la teoría cuántica como en la ondulatoria. Pero mientras en las ondas ésta magnitud tiene un sentido claro, el espacio que media entre la repetición del mismo valor en un fenómeno periódico, en la herramienta cuántica solo es un nombre con un número. Sin embargo hay un aspecto muy interesante de éste valor que nos hace seleccionarlo para hablar la luz y consiste en que nuestra mirada interpreta la longitud de onda, el fotón, como color. Cada color es un tipo de fotón. Un fotón de 400 nanómetros es azul, uno de 500, verde, uno de 700, rojo. Al mezclar fotones de distinto tipo, cada uno con su propio color, aparecen otros colores nuevos que no podríamos conseguir con fotones de un único tipo. Esto nos permite dividir las luces, por su color, en dos tipos: las que contienen todos los colores (fotones de todos los tipos) y las que tienen solo algunos de los colores. (c) Paco Rosso, 2014-cal--Artículo o ejercicio- 5/7

6 Hay una manera de contar los fotones de la luz, consiste en que cada fotón carga una cierta cantidad de energía que es característica. Un fotón de 400 nanómetros no transporta la misma energía que otro de 500. Esto nos permite contar fotones. Disponemos de unos aparatos de medida denominados radioespectómetros que nos miden el contenido de energía en cada banda de frecuencia. Es decir, cuantos vatios hay en cada longitud de onda. Sabiendo que cada tipo de fotón tienen siempre la misma energía y habiendo medido la energía contenida en cada una de estas bandas podemos conocer el número de fotones de la luz. Cuando el radioespectómetro está especializado en la medición de la banda de radio visible lo llamamos espectofotómetro. La energía de un fotón depende de su longitud de onda. Cuanto más alta es la longitud, menos energía llevan los fotones. Así, los fotones rojos llevan menos energía que los azules La transmisión de la luz La idea de rayo tiene gran tradición dentro de la forma de comprender la luz. Lejos de ser un concepto confuso o simplista es una concepción que permite estudiar la transmisión de la luz con esa milenaria herramienta intelectual que es la geometría, ciencia con métodos y paradigmas perfectamente asentados en nuestra cultura científica. La luz se transmite en forma de rayo. Un rayo es una línea recta con la que representamos la trayectoria que sigue la luz. El rayo es un concepto abstracto, como las ondas, que nos permite acercar la complejidad del fenómeno físico luminoso a la lógica y la razón de la persona. No significa que haya líneas materiales, sino conceptos susceptibles de soportar un análisis matemático determinado. Cuando el rayo de luz alcanza un objeto puede: 1. Reflejarse. Sucede cuando rebota en su superficie rompiéndose en infinidad de rayos que rebotan siguiendo diversas direcciones. 2. Refractarse. Al atravesar el objeto, el rayo sale en una dirección ligeramente diferente. Lo ves por ejemplo lo que sucede cuando metes una cucharilla en un vaso de agua. 3. Difundirse. Cuando atraviesa un objeto y en vez de salir con una dirección parecida a la de entrada se rompe la luz en una infinidad de rayos. 4. Difractarse. Cuando el rayo choca con el borde de un objeto se rompe de una manera muy particular que produce una iluminación poco uniforme. 5. Transmitirse. Una parte de la luz queda encerrada dentro del nuevo medio y se desplaza por su interior. Es la base de la fibra óptica. La luz sigue líneas rectas pero cuando el medio por el que se mueve cambia de naturaleza la luz sufre dos acciones: una parte se refleja hacia atrás y el resto se desvía. Es decir, se refleja y se refracta a la vez. La razón es un cambio en la velocidad de transmisión. Esta desviación permite que existan las lentes y por tanto los objetivos ya que éstos aprovechan la desviación de la luz para concentrar la luz y formar las imágenes. Uno de los fenómenos de la luz es que al proyectarse a través de un objetivo consiste en el enfoque. La imagen de la escena que transporta la luz solo se ve nítida cuando las lentes están a una cierta distancia del plano de imagen, distancia que depende del material con que están hechas las lentes, su forma y la distancia del instrumento óptico a la escena. El enfoque es uno de los fenómenos que no se puede explicar mediante el trazado de rayos pero si desde la teoría de ondas. De todos estos accidentes que puede sufrir la luz en su movimiento el más importante es el de la reflexión. Cuando el rayo de luz llega a una superficie se refleja en ella de una manera que depende de las características de ésta superficie. Básicamente hay dos tipos de superficies: brillantes y mates. Cuando el rayo de luz llega a una superficie brillante rebota en ella manteniendo su forma de rayo y con un ángulo de salida igual que el de entrada y que además mantiene su dirección dentro del mismo plano que el rayo incidente. Pero si la superficie es mate el rayo que incide en ella se rompe en todas las direcciones. La primera manera de reflexión se llama reflexión especular y la segunda reflexión difusa. Cuando la reflexión difusa mantiene la misma luminancia en todas las direcciones decimos que es una reflexión lambertiana (o difusa perfecta). (c) Paco Rosso, 2014-cal--Artículo o ejercicio- 6/7

7 La importancia de la reflexión en la iluminación viene de que todo objeto en una escena es susceptible de convertirse en una fuente de luz. Cada objeto que refleja la luz cambia su dirección produciendo una iluminación desde una nueva posición. Precisamente uno de los mayores obstáculos con que se encuentran los programas informáticos de iluminación sintética está en emular este comportamiento de las superficies de las figuras. La reflexión hace que hablemos de dos tipos de fuentes de luz: las primarias, que generan luz al transformar la energía que viene en una naturaleza diferente (por ejemplo eléctrica) y las fuentes secundarias que parten de una luz ya existente y modifican su distribución o su dirección. Otro aspecto importante para nuestro tema, la iluminación, es la dispersión. Cuando la luz atraviesa un medio cargado de partículas los rayos individuales chocan con ellas y modifican su dirección apartándose de la dirección principal y dispersándose en todas las direcciones. Sucede cuando en una estancia cargada de polvo entra la luz directa por una ventana y vemos el rayo perfectamente dibujado. Conseguimos este efecto de iluminación con aire húmedo, con polvo, con humos, etc. La dispersión hace visible la luz y la transforma en luz volumétrica. (c) Paco Rosso, 2014-cal--Artículo o ejercicio- 7/7