Los niños a menudo hacen preguntas simples que te hacen preguntarte si realmente entiendes tu tema. Un joven conocido mío llamado Collin se preguntó por qué los colores del arco iris siempre estaban en el mismo orden: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta. ¿Por qué no se mezclan?
La secuencia familiar se captura en el famoso Roy G. Biv acrónimo, que describe la secuencia de colores del arco iris que comienza con rojo, que tiene la longitud de onda más larga, y termina en violeta, la más corta. La longitud de onda (la distancia entre dos crestas de onda sucesivas) y la frecuencia, el número de ondas de luz que pasan un punto determinado cada segundo, determinan el color de la luz.
Las células cónicas en nuestras retinas responden a longitudes de onda de luz entre 650 nanómetros (rojo) a 400 (violeta). UNA nanómetro es igual a una billonésima parte de un metro. Teniendo en cuenta que un cabello humano tiene 80,000-100,000 nanómetros de ancho, las ondas de luz visible son cosas muy pequeñas.
Entonces, ¿por qué Roy G. Biv y no Rob G. Ivy? Cuando la luz pasa a través de un vacío, lo hace en línea recta sin desviación a su velocidad máxima de 186,000 millas por segundo (300,000 km / seg). A esta velocidad, el más rápido conocido en el universo como se describe en el libro de Einstein Teoría especial de la relatividad, la luz que viaja de la pantalla de la computadora a los ojos toma solo 1 / 1,000,000,000 de segundo. Maldita sea rápido.
Pero cuando miramos más allá de la pantalla al gran y amplio universo, la luz parece ralentizarse lentamente, tardando 4,4 horas en llegar a Plutón y 25,000 años para volar por el agujero negro en el centro de la galaxia, la Vía Láctea. ¿No hay algo más rápido? Einstein respondería con un enfático "¡No!"
Una de las propiedades más interesantes de la luz es que cambia la velocidad según el medio por el que viaja. Mientras que la velocidad de un rayo a través del aire es casi la misma que en el vacío, los medios "más gruesos" la reducen considerablemente. Uno de los más familiares es el agua. Cuando la luz cruza del aire al agua, digamos una gota de lluvia, su velocidad cae a 140,430 millas por segundo (226,000 km / seg). El vidrio retrasa los rayos de luz a 124,275 millas / segundo, mientras que los átomos de carbono que forman el diamante reducen su velocidad a solo 77,670 millas / segundo.
Por qué la luz se ralentiza es un poco complicado pero tan interesante, tomemos un momento para describir el proceso. Los átomos de oxígeno e hidrógeno absorben inmediatamente la luz que ingresa al agua, lo que hace que sus electrones vibren momentáneamente antes de volver a emitirse como luz. Nuevamente libre, el rayo ahora viaja hasta que choca contra más átomos, hace vibrar sus electrones y vuelve a ser enviado. Y otra vez. Y otra vez.
Como una línea de ensamblaje, el ciclo de absorción y reemisión continúa hasta que el rayo sale de la gota. A pesar de que cada fotón (u onda, su elección) de luz viaja a la velocidad de vacío de la luz en los vacíos entre los átomos, los minutos de retraso durante el proceso de absorción y reemisión se suman para hacer que la velocidad neta del haz de luz disminuya . Cuando finalmente deja la gota, reanuda su velocidad normal a través del aire aireado.
Volvamos ahora a los arcoiris. Cuando la luz pasa de un medio a otro y su velocidad disminuye, también se dobla o refractado. Coloca un lápiz en un vaso medio lleno de agua y verás a qué me refiero.
Hasta este punto, hemos estado hablando solo de luz blanca, pero como todos aprendimos en ciencias elementales, Sir Isaac Newton dirigió experimentos con prismas a finales de 1600 y descubrió que la luz blanca se compone de todos los colores del arco iris. No sorprende que cada uno de esos colores viaje a una velocidad ligeramente diferente a través de una gota de agua. La luz roja solo interactúa débilmente con los electrones de los átomos y se refracta y ralentiza lo más mínimo. La luz violeta de longitud de onda más corta interactúa más fuertemente con los electrones y sufre un mayor grado de refracción y desaceleración.
Los arcoíris se forman cuando miles de millones de gotas de agua actúan como prismas en miniatura y refractan la luz solar. El violeta (el más refractado) aparece en el borde inferior o interno del arco. El naranja y el amarillo se refractan un poco menos que el violeta y ocupan la mitad del arco iris. La luz roja, menos afectada por la refracción, aparece a lo largo del borde exterior del arco.
Debido a que sus velocidades a través del agua (y otros medios) son una propiedad establecida de la luz, y dado que la velocidad determina cuánto se dobla cada una a medida que cruzan del aire al agua, siempre se alinean como Roy G. Biv. O el orden inverso si el haz de luz reflejados veces dentro de la gota de lluvia antes de salir, pero la relación de color a color siempre se conserva. La naturaleza no puede y no puede mezclar aleatoriamente el esquema. Como diría Scotty de Star Trek: "¡No puedes cambiar las leyes de la física!"
Entonces, para responder la pregunta original de Collin, los colores de la luz siempre permanecen en el mismo orden porque cada uno viaja a una velocidad diferente cuando se refracta en ángulo a través de una gota de lluvia o un prisma.
La luz no solo cambia su velocidad cuando entra en un nuevo medio, su longitud de onda cambia, sino que su frecuencia sigue siendo la misma. Si bien la longitud de onda puede ser una forma útil de describir los colores de la luz en un solo medio (aire, por ejemplo), no funciona cuando la luz pasa de un medio a otro. Para eso confiamos en su frecuencia o en cuántas ondas de luz de color pasan un punto de ajuste por segundo.
Frecuencias de luz violeta más altas en 790 billones de ondas por segundo (ciclos por segundo) frente a 390 billones de rojo. Curiosamente, cuanto mayor es la frecuencia, más energía conlleva un sabor particular de luz, una de las razones por las cuales los rayos UV te causarán quemaduras solares y la luz roja no lo hará.
Cuando un rayo de sol entra en una gota de lluvia, la distancia entre cada cresta sucesiva de la onda de luz disminuye, acortando la longitud de onda del haz. Eso podría hacerte pensar que su color debe ser "más azul" a medida que pasa a través de una gota de lluvia. No lo hace porque la frecuencia sigue siendo la misma.
Medimos la frecuencia dividiendo el número de crestas de onda que pasan un punto por unidad de tiempo. El tiempo adicional que tarda la luz en viajar a través de la gota cancela cuidadosamente el acortamiento de la longitud de onda causada por la caída de la velocidad del rayo, preservando la frecuencia del rayo y, por lo tanto, el color. Hacer clic AQUÍ para una mayor explicación
¿Por qué los prismas / gotas de lluvia se doblan y separan la luz?
Antes de concluir, queda una pregunta sin respuesta que hace cosquillas en el fondo de nuestras mentes. ¿Por qué la luz se dobla en primer lugar cuando brilla a través del agua o el vidrio? ¿Por qué no simplemente ir directamente? Bueno, la luz pasa directamente si es perpendicular al medio Solo si llega a un ángulo lateral, se doblará. Es similar a ver una ola oceánica entrante doblarse alrededor de un acantilado. Para una buena explicación visual, recomiendo el excelente video corto de arriba.
¡Ah, y Collin, gracias por esa pregunta amigo!
