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.

#stem-espanol

absorción de longitudes de onda

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.

https://cdn.steemitimages.com/DQmY7gQYq4DsVKmVTQJXoR8zvCQFRykbNq1yo8qaRyJ4kJK/image.png ^{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.

https://cdn.steemitimages.com/DQmdvF4wbNhn7SGAcA5wdUV67pbAFbHcESDwyVTohmQef4F/image.png ^{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. https://cdn.steemitimages.com/DQmau4BuXRjh2Qa3rNBrKcKDcsT6Ds4DgCtNu6fvHdxbq1U/image.png ^{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. https://cdn.steemitimages.com/DQmS5xcC2J7mbppmaR2DxibNcciELx8QhLtCQZrs71d8upF/image.png ^{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. https://cdn.steemitimages.com/DQmcPnDeUmJUUcEK4YGftB7M6wxykY7q85ZgwBSVmmfFeUf/image.png ^{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. https://youtu.be/ajTOatQ55as^{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. https://cdn.steemitimages.com/DQmZaGxYJkwRDe3r173x7M2Uce7psviYbR1ZmdJwMNVovV7/image.png ^{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