Dispersión de Luz: Definición, tipos y ejemplos

¿Qué es la dispersión de la luz?

¿Qué es la dispersión de la luz? La dispersión de la luz se refiere al efecto de difusión de las partículas que hace que las ondas de luz se desvíen de sus trayectorias rectas. Las partículas presentes en el medio permiten que la luz sea absorbida y reemitida, extendiendo todas las ondas de luz en diferentes direcciones en lugar de seguir un único camino recto. Uno de sus mejores ejemplos es la dispersión de la luz solar en la atmósfera, lo que da lugar a varios fenómenos comunes como cielos azules, nubes blancas y atardeceres rojizos.

¿Cómo se produce la dispersión de la luz, especialmente en la atmósfera? Recuerde que la luz es una onda electromagnética producida por cargas oscilantes. Cuando la luz solar incide sobre una molécula o partícula presente en la atmósfera, la molécula absorbe parte de esta radiación y rápidamente la reemite en varias direcciones.

Para explicar mejor qué es la dispersión, consideremos un fenómeno llamado efecto Tyndall. Es la dispersión de la luz al pasar a través de un medio (por ejemplo, humo o neblina) compuesto de pequeñas partículas. En el siglo XIX, fue descrito por primera vez por el físico John Tyndall. También es una de las formas más efectivas de determinar si un medio es una solución o un coloide. Por ejemplo, un rayo de luz simplemente sigue una línea recta al atravesar agua clara. Sin embargo, cuando la luz pasa a través de un coloide (p. ej., leche o niebla), la luz se dispersa debido a su colisión e interacción con las partículas suspendidas en el medio.

Tipos de dispersión de ondas

Hay dos tipos principales de dispersión de la luz: dispersión elástica e inelástica. La dispersión elástica se refiere a la dispersión de la luz cuando no hay cambios en su longitud de onda después de ser reemitida. En una dispersión elástica tampoco se modifica la energía de las partículas o “dispersores”. La dispersión inelástica se caracteriza por un cambio en la energía interna de las moléculas. El estado de rotación y vibración de estos dispersores varía debido a la absorción y reemisión de ondas. En la mayoría de los casos, la energía de las moléculas aumenta después del proceso de dispersión, lo que implica que la energía de los fotones después de la reemisión disminuye.

Un ejemplo de dispersión elástica es la dispersión de Rayleigh, que lleva el nombre del físico británico Lord Rayleigh (John William Strutt). Como se menciona en la definición de dispersión de la luz, es el tipo de dispersión que se produce en la atmósfera debido a partículas y moléculas mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz. La relación entre la dispersión y la longitud de onda de la luz viene dada por {eq}I=\frac{1}{{\lambda}^4} {/eq}. Muestra que las partículas de la atmósfera se convierten en una obstrucción para longitudes de onda de luz más cortas que para longitudes de onda más largas. Tenga en cuenta que esta relación sólo es válida para partículas que tienen diámetros más pequeños que la longitud de onda de la luz, como las moléculas de nitrógeno y oxígeno. La dispersión de Rayleigh explica por qué el cielo es azul, algo que se explicará en las siguientes secciones.

La dispersión Raman es un ejemplo de dispersión inelástica, donde la interacción entre la luz incidente resulta en una pérdida o ganancia de energía, y los fotones dispersados ​​experimentan un cambio en sus frecuencias. Fue explicado por primera vez por el físico indio CV Raman en 1928 cuando observó cómo la luz coloreada se dispersa al entrar en un líquido. Es importante identificar la estructura molecular de una muestra, una aplicación esencial en el diagnóstico médico y en el seguimiento de las estructuras de los contaminantes.

Al describir la dispersión de ondas también se mencionan ciertos términos, como dispersión simple y múltiple. La dispersión única se caracteriza por una fuente de dispersión localizada. Puede describirse como un fenómeno aleatorio debido a la fuente limitada de dispersión y puede compararse con cómo se dispara un electrón hacia un núcleo atómico. Muestra que la dispersión que ocurre en una partícula es independiente y no se ve afectada por la dispersión en otras partículas vecinas. Cuando una onda se dispersa varias veces, ahora se llama dispersión múltiple, que es la forma en que la luz se dispersa a través de una niebla o neblina. La onda que se dispersa desde una partícula es nuevamente absorbida y reemitida por las partículas vecinas. Ejemplos de dispersión múltiple ocurren dentro de las nubes y están mucho más relacionados con la difusión.

Ejemplos de dispersión

La dispersión de la luz explica varios fenómenos que se observan cada día. Algunos de estos ejemplos de dispersión de luz se dan a continuación:

Nubes blancas

Las nubes blancas se producen debido a la dispersión igual de la luz solar cuando encuentra gotas de agua presentes en las nubes. Este tipo de dispersión se llama dispersión de Mie, un ejemplo de dispersión elástica de la luz. Dado que las gotas o cristales de agua tienen diámetros mucho mayores que la longitud de onda de la luz, dispersan la luz solar uniformemente en todas direcciones, lo que permite que las nubes parezcan blancas. Si las nubes son espesas, como en el caso de las nubes de lluvia, sólo una pequeña cantidad de luz solar penetra la parte inferior de la nube, lo que explica por qué la base de una nube gruesa aparece gris y oscura.

Cielo azul y atardecer rojizo

El cielo azul es el resultado de la dispersión de Rayleigh, donde las moléculas con diámetros más pequeños que la longitud de onda de la luz obstruyen longitudes de onda de luz más cortas que aquellas con longitudes de onda más largas. La dispersión de la luz se ve afectada por un factor de {eq}\frac{1}{{\lambda}^4} {/eq}, lo que significa que entre todo el espectro visible, el azul y el violeta son los más dispersos por moléculas en el atmósfera (moléculas de oxígeno y nitrógeno) que el rojo y el naranja. Cuando la luz del sol llega a la atmósfera, esas longitudes de onda más cortas de azul y violeta se dispersan predominantemente, lo que les permite llegar a los ojos humanos. Además, los ojos humanos son más sensibles al azul que al violeta, lo que explica por qué el cielo aparece azul durante el día.

La dispersión de Rayleigh también explica la puesta de sol rojiza. Durante el atardecer, el sol se sitúa cerca del horizonte en un ángulo bajo. De este modo, los rayos del sol recorren una distancia máxima en la atmósfera. La mayoría de las longitudes de onda azul y violeta ya están dispersas por las partículas de la atmósfera, las nubes y la neblina. Como resultado, aquellas longitudes de onda que están menos curvadas o dispersas son las únicas que llegan a los ojos, lo que permite que el cielo parezca rojizo y anaranjado.

Dispersión de rayos X

La dispersión de la radiación ocurre en imágenes médicas, como en los rayos X. Cuando la radiación encuentra materia, puede ser absorbida, penetrada o dispersada, afectando la calidad general de las imágenes producidas. Los huesos, por ejemplo, absorben radiación y producen imágenes de alto contraste en un resultado de rayos X, lo que los hace parecer blancos. Los tejidos blandos y los órganos aparecen grises, ya que la radiación puede atravesarlos fácilmente. La radiación dispersa puede degradar la calidad de la imagen de los rayos X, especialmente para aquellos objetos de bajo contraste, como los tejidos blandos. En la mayoría de los casos, la radiación dispersa se reduce mediante rejillas antidispersión o grandes espacios de aire para producir una imagen de alto contraste necesaria para un diagnóstico médico más preciso.

Arcoiris

Los arco iris son productos de la reflexión, refracción y dispersión de la luz. La reflexión es el rebote de la luz, la refracción es la curvatura de la luz, mientras que la dispersión es la separación de la luz blanca en sus componentes debido a sus diferentes longitudes de onda. La dispersión puede describirse simplemente como la dispersión de la luz blanca en sus componentes. Recuerda que la luz blanca se compone de seis componentes diferentes, ordenados de longitud de onda más larga a más corta: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. Los arco iris se forman cuando la luz del sol que entra en una gota de lluvia se refleja dentro de la gota. Al mismo tiempo, se refracta y dispersa al entrar y salir de la gota de lluvia, lo que permite que se disperse y separe en sus componentes. El violeta se curva más que el rojo ya que el violeta tiene la longitud de onda más corta.

Resumen de la lección

La dispersión de la luz se produce cuando los rayos luminosos se desvían de sus trayectorias rectas. Los rayos de luz son absorbidos por partículas y moléculas suspendidas en un medio y se reemiten en varias direcciones. Hay dos tipos principales de dispersión: dispersión elástica e inelástica. La dispersión elástica ocurre cuando no hay cambios en la energía de las partículas antes y después de la dispersión y la longitud de onda de la luz sigue siendo la misma. Un ejemplo de dispersión elástica es la dispersión de Rayleigh, que se produce cuando el diámetro de las partículas es mucho menor que la longitud de onda de la luz. La dispersión inelástica se caracteriza por un cambio en la energía interna de las moléculas. El estado de rotación y vibración de estos dispersores varía debido a la absorción y reemisión de ondas. Un ejemplo de dispersión inelástica es la dispersión Raman, donde la interacción entre la luz incidente da como resultado una pérdida o ganancia de energía y los fotones dispersados ​​experimentan un cambio en su frecuencia.

Los ejemplos de dispersión que se analizan en esta lección incluyen el color del cielo y el efecto de la dispersión en imágenes médicas. Por ejemplo, el cielo tiene un color azul durante el día porque el azul y el violeta son las longitudes de onda de luz más dispersas en comparación con las longitudes de onda más largas. Tenga en cuenta que el aire contiene muchas partículas en suspensión que permiten que la luz se disperse. Durante el atardecer, el azul y el violeta ya se han dispersado varias veces. Sólo las longitudes de onda más largas (rojas y naranjas) llegan a los ojos humanos, ya que las partículas de la atmósfera las dispersan menos y las curvan menos. Las nubes son blancas porque contienen moléculas de agua más grandes que tienen más o menos la misma longitud de onda que la luz solar, lo que permite que la luz se disperse uniformemente en todas direcciones. Sin embargo, en un día nublado, la luz del sol se dispersa principalmente por encima de las nubes, pero les resulta más difícil penetrar las nubes gruesas, lo que hace que la base de las nubes parezca más oscura o gris. En las ciencias de la salud, la dispersión de los rayos X afecta la calidad de la imagen de los rayos X. Es por eso que se siguen ciertos pasos para reducir la dispersión de la radiación para producir más contraste y más imágenes de calidad esenciales para el diagnóstico médico.