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Qué es el espectro cromático
La concepción moderna del color nació con el descubrimiento de la naturaleza espectral de la luz que hizo Isaac Newton en el siglo XVII.
Newton creía que la luz era un flujo de partículas. Sus experimentos con prismas de cristal demostraron que la luz se podía fraccionar en varios colores individuales. Es más, llegó a la conclusión de que las luces de distintos colores tenía diferentes grados de refracción; por ejemplo, la luz azul se desviaba más que la roja al pasar del aire a un medio con un índice de refracción
mayor, como es el caso de un prisma de cristal.Ahora sabemos que los famosos experimentos de Isaac Newton demostraban que la luz blanca estaba formada por energía de distintas longitudes de onda.
El ojo humano es sensible a una amplia franja de longitudes de onda situadas entre los 380 y los 780 nanómetros, aproximadamente. El espectro de luz visible o espectro cromático representa sólo una mínima fracción de todo el espectro electromagnético.
Dentro del espectro de luz visible, ciertas longitudes de onda nos causan determinadas sensaciones visuales. Así, por ejemplo, las longitudes de onda más cortas se perciben como colores violetas o azulados. Sin embargo, es importante entender que el uso de expresiones como "luz azul" es sólo una cuestión de comodidad expresiva que no se contradice con el hecho de que el color sólo existe realmente en nuestra mente.
Qué es un nanómetro (nm.)
Cualquier radiación de energía electromagnética, luz visible incluida, se puede concebir en forma de onda. La energía se mueve hacia adelante como una ola, y la distancia entre cada una de sus crestas es lo que se llama "longitud de onda" (wavelenght), que se referencia con la letra griega lambda (λ).
Las longitudes de onda que corresponden a la luz son bastante pequeñas en términos convencionales, en torno a los 0,0000005 metros (es decir: 10-6 metros).Para mayor comodidad, usamos la medida del nanómetro (nm.), que mide una milmillonésima parte de un metro (10-9 metros). El sistema visual humano es sensible a las longitudes de onda situadas entre los 380 y los 780 nanómetros.
Es posible describir una luz mediante su frecuencia (abreviada por convención con la letra "v"). La frecuencia es el número total de ondas que pasa por un punto dado en un segundo.
La velocidad de una energía electromagnética (abreviada por convención con la letra "c") se relaciona con su longitud de onda (λ) y su frecuencia (v) mediante la fórmula c = v • λ.
Qué pasa cuando una luz ilumina una superficie?
Cuando la luz alcanza una superficie, pueden pasar dos cosas:
- Un cambio en el índice de refracción hace que la luz se vea reflejada por la superficie. La luz así reflejada se llama "reflexión especular" (specular reflection).
- La luz no se refleja, sino que penetra en la materia. Sin embargo, al atravesar la superficie, el cambio en el índice de refracción del material atravesado reduce algo la velocidad de la luz, lo que hace que se desvíe (refracción). La luz puede atravesar por completo un material. En ese caso decimos que ha sido "transmitida".
El ángulo de refraccion r se corresponde con el ángulo de incidencia i y los índices de refracción del aire (n1) y la superficie (n2). Así, si el índice de la superficie es 1,5 y el del aire 1, si el ángulo de incidencia fuera de 45º, el ángulo de refracción sería 28º.
Además, cabe la posibilidad de que la materia absorba la luz, o la disperse. La luz dispersada o reflejada puede terminar por salir por el frente, la parte de atrás o un costado del objeto iluminado.
Cómo se absorbe la luz
La materia puede absorber la luz debido a una serie de fenómenos que incluyen vibraciones y rotaciones atómicas, efectos de campos ligandos (ligand-fields), orbitaciones moleculares y transferencia de cargas. Es muy usual que una sustancia concreta sea capaz de absorber ciertas cantidades de energía luminosa. En este sentido, las propiedades de absorción luminosa de los distintos materiales depende de cuál sea las longitudes de onda que componen una luz dada.
La energía que las moléculas de una sustancia absorben se puede disipar en forma de energía cinética o calorífica, aunque a veces puede volverse a emitir
Cómo se dispersa la luz
Cuando la luz alcanza alguna forma de materia, puede resultar dispersada (scattered). Cuando las partículas que causan la dispersión son muy pequeñas (hablamos de unos 1.000 nanómetros), la luz se dispersa de acuerdo con la ley propuesta por Rayleigh, según la cual las longitudes de onda más corta se dispersan más que las largas.
En el caso de las más largas (de 4.000 nanómetros en adelante), la cantidad de dispersión se produce conforme a las ecuaciones de Fresnel: La cantidad de dispersión depende de la diferencia entre los índices de refracción de la partícula y del medio por el que se dispersa, y esta diferencia depende a su vez de la longitud de onda.
Si la luz se dispersa de forma igual por todas partes, se considera que es una dispersión isotrópica, pero eso es más bien inusual. Las propiedades de absorción y dispersión de las partículas son complejas y existen varias teorías para describirlas, incluyendo la teoría Kubelka-Munk de tranferencia de radiaciones.
Porqué es azul el cielo
La luz procedente del sol se compone de todas las longitudes del espectro visible. El polvo y otros componentes de la atmósfera terrestre dispersan las longitudes cortas (azules) del espectro luminoso más que las otras.
La consecuencia es que la luz que se dispersa desde esas partículas hace que el cielo parezca azul, mientrás que la luz que procede directamente al mirar el sol tiende a verse con su tono complementario, el amarillo (en el caso de las puestas de sol, rojizo
Porqué tienen color las cosas
Hay muchas razones por la que las cosas parecen tener color. Para la mayoría de las sustancias físicas, la causa es que sus propiedades de absorción o dispersión son diferentes para las distintas longitudes de onda.
Así, en una sustancia que parezca ser amarilla eso ocurre debido a que tiene mayor capacidad de absorción en la zona azulada del espectro luminoso y dispersa la luz mejor en las zonas verdes y rojas del mismo.
Lo más usual es que un pigmento disperse la luz con mucha eficacia en una zona del espectro luminoso y tenga su principal zona de absorción en otra. Eso explica porque los materiales translúcidos o las películas coloreadas tengan tonos diferentes cuando se las observa por reflexión o por transparencia.
Qué es la fluorescencia
La mayoría de los materiales dielectricos absorben la luz, que a continuación se disipa en forma de calor o energía cinética.
Las sustancias fluorescentes, sin embargo, pueden absorber la luz y volverla a emitir. Como el proceso no es perfecto, siempre hay una pérdida de energía que hace que la luz re emitida tenga una longitud de onda más larga que la de la luz recibida.
Esta propiedad es utilizada en los agente blanqueadores fluorescentes que se usan en la fabricación del papel o los detergentes. Absorben la luz en la zona cercana al ultravioleta y la reemiten en la zona azulada del espectro luminoso, lo que resalta la cantidad de luz visible que reflejan.
Si se miden con un espectrofotómetro de reflectancia convencional, las sustancias fluorescentes pueden mostrar una reflectancia mayor del 100% en ciertas longitudes de onda.
Qué es la fosforescencia
La fosforescencia es un fenómeno similar a la fluorescencia. La principal diferencia es que hay un retraso temporal entre la absorción y la reemisión. De este modo, las sustancias fosforescentes pueden almacenar energía electromagnética, al menos por un breve período de tiempo.
Cúal es la diferencia entre un tinte y un pigmento
Los tintes (dyes) y los pigmentos (pigments) son componentes químicos responsables de buena parte de los colores en la naturaleza. Se suelen añadir a los productos artificiales como los tejidos o los alimentos para que tengan un color deseado.
Los tintes son solubles en la materia a la que se aplican. La consecuencia principal de esto es que tienden a absorber la luz y no a dispersarla. De ese modo, los tonos claros que se ven en los cristales tintados o en los filtros de colores transparentes se deben a tintes.
Los pigmentos son insolubles en el medio al que se aplican, por lo que absorben y dispersan la luz. Este proceso de dispersión se puede ver en los pigmentos plásticos o en las pinturas. De hecho, el principal propósito de añadir, por ejemplo, dióxido de titanio a las pinturas y sustancias similares es proporcionarles un poder opacante (consecuencia de la dispersión de la luz incidente).
Porqué somos sensibles a las longitudes de onda entre los 380 y los 780 nanómetros
El mundo en el que vivimos tendría un aspecto muy distinto si nuestros ojos fueran sensibles a longitudes de onda que no fueran aquellas a las que llamamos "espectro luminoso".
La famosa afirmación de Isaac Newton de que los rayos de luz no tienen color se hace evidente cuando pensamos cómo se vería el mundo si nuestro rango de percepción estuvieran entre los 4.000 y los 7.000 nanómetros de longitud de onda en vez de los 380 y 780 entre los que realmente está.
La luz de unos 700 nanómetros de longitud de onda no es roja por ninguna propiedad intrínseca de esa longitud de onda, sino porque ese es el efecto que causa en nuestro sistema visual.
De hecho, algunas criaturas, como los pájaros y las abejas, tienen una sensibilidad visual que es diferente y, en buena medida, más amplia que la nuestra.
No está claro porque hemos evolucionado hasta ser sensible a los 380 - 780 nanómetros. Una posibilidad es que las ondas de luz que son más cortas que ese intérvalo dañan los tejidos vivos, y que las que son más largas llevan asociado calor. El ojo humano contiene un pigmento llamado "pigmento macular" cuya presencia, según parecen sugerir las investigaciones, proteje a los ojos de las ondas electromagnéticas menores a los 400 nanometros aproximadamente.
Qué es el color
El color (colour) es algo más que sólo una propiedad de las cosas, por muy contrario que esto sea al la forma en la que usamos la idea de color en el lenguaje diario.
Esta asociación del color y las cosas en nuestra forma de hablar, que se ve en frases como "este objeto es rojo", es un básicamente errónea, ya que el color que percibimos sólo existe en nuestros cerebros. Es usual afirmar que la visión en color es consecuencia de la naturaleza del mundo físico, una respuesta fisiológica de la retina al llegar la luz al ojo, y el procesamiento neurologico de esta respuesta retinal en el cerebro.
La unificación de los tres procesos separados es probablemente artificial y hace muy poco justicia a la naturaleza compleja de la percepción del color. Con todo, la idea es útil y atrayente ya que, como se puede ver más adelante, el número tres tiene una asociación casi mágica con la visión del color
Cómo funciona el ojo humano
Casi toda la parte trasera de la esfera ocular está recubierta por una capa de células fotosensibles a la que se denomina colectivamente 'retina'. Esta estructura retiniana es el núcleo del órgano del sentido de la vista.La esfera ocular no es ninguna maravilla de la ingeniería. Es sólamente una estructura que aloja la retina y le proporciona imágenes enfocadas y nítidas del mundo exterior. La luz entra en el ojo a través de la córnea y el iris, atravesándo la lente del cristalino antes del alcanzar la retina.
La retina recibe una pequeña imagen invertida de ese mundo exterior, transmitida por el sistema óptico formado por la córnea y el cristalino. El ojo es así una pequeña 'cámara oscura'. La lente del cristalino altera su forma para enfocar la imagen, pero esa capacidad adaptativa se va perdiendo con la edad, por lo que perdemos capacidad visual óptica.
El ojo es capaz de adaptarse a distintos niveles de iluminación gracias a que el diafragma formado por el iris puede cambiar de diámetro, proporcionando un agujero central (la pupila) que varía entre 2 mm (para iluminación intensa) y 8 mm (para situaciones de poca iluminación).
La retina traduce la señal luminosa en señales nerviosas. Está formada por tres capas de células nerviosas. Sorprendentemente, las células fotosensibles (conocidas como conos(cones) y bastones(rods)) forman la pate trasera de la retina (es decir: La más alejada de la apertura del ojo). Por eso, la luz debe atravesar antes las otras dos capas de células para estimular los conos y los bastones.
Las causas e historia evolutiva de este diseño invertido de la retina no se conocen bien, pero es posible que esa posición de las células fotosensibles en la zona más posterior de la retina permita que cualquier señal luminosa dispersa sea absorbida por las células pigmentarias situadas inmediatamente detrás de la retina, ya que contienen un pigmento oscuro conocido como melanina.
Puede también que estas células con melanina ayuden a restaurar químicamente el equilibrio del pigmento fotosensible de los conos y bastones cuando éste pierde su capacidad debido al desgaste causado por la acción de la luz.
La capa media de la retina contiene tres tipos de células nerviosas: Bipolares, horizontales y amacrinas. La conexión de los conos y bastones con estos tres conjuntos de células es complejo, pero las señales terminan por llegar a la zona frontal de la retina, para abandonar el ojo a través del nervio óptico. Este diseño inverso de la retina hace que el nervio óptico tenga que atravesarla, lo que da como resultado el llamado punto ciego (blind spot) o disco óptico.
Los bastones y conos contienen pigmentos visuales, que son como los demás pigmentos en el sentido de que absorben la luz dependiendo de la longitud de onda de ésta. Sin embargo, estos pigmentos visuales tienen la particularidad de que cuando un pigmento absorbe un fotón de energía luminosa, la forma molecular cambia y se libera energía.
El pigmento que ha cambiado su estructura absorbe peor la energía y por eso se dice que se ha blanqueado o despigmentado (bleached). La liberación de energía por parte del pigmento y el cambio en la forma molecular hacen que la célula libere una señal eléctrica mediante un mecanismo que aun no se conoce por completo.
Qué son la visión escotópica y fotópica
Los bastones son sensibles a niveles muy bajos de iluminación y son los responsables de nuestra capacidad de ver con poca luz (visión escotópica). Contienen un pigmento cuyo máximo de sensibilidad se halla en la zona de los 510 nanómetros (o sea, la zona de los verdes). Al pigmento de los bastones, la rodopsina, se la suele llamar 'púrpura visual', ya que cuando los químicos logran extraerlo en cantidad suficiente, tienen una apariencia púrpurea.
La visión escotópica carece de color, ya que una función de sensibilidad con un espéctro único es ajena al color, por lo que la visión escotópica es monocromática.
Los conos son los que proporcionan la visión en color. Hay tres clases de conos. Cada una de ellos contiene un pigmento fotosensible distinto. Los tres pigmentos tienen su capacidad máxima de absorción hacia los 430, 530 y 560 nanómetros de longitud de onda, respectivamente. Por eso se los suele llamar "azules", "verdes" y "rojos". No es que los conos se llamen así por su pigmentación, sino por el supuesto 'color de la luz' al que tienen una sensibilidad óptima.
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Esta terminología es bastante desafortunada, ya que las luces monócromas de 430, 530 y 560 nm. de longitud de onda no causan realmente la percepción de azul, verde y rojo, sino la de violeta, azul verdoso y amarillo verdoso. Por eso, las denominaciones conos cortos, conos medios y conos largos (por el tipo de longitud de onda al que son sensibles comparativamente) es más lógica (las abreviaciones en inglés son: S-cones (cortos), M-cones (medios) y L-cones (largos)).
La existencia de tres funciones de sensibilidad espectral proporciona la base de la visión en color, ya que cada longitud de onda causará una proporción única de respuestas en los conos sensibles a longitudes cortas, medias y largas. Son los conos quienes nos proporcionan la visión en color (visión fotópica), que permite distinguir notablemente bien pequeños cambios en la composición de longitudes de onda de una luz.
