Cómo las partículas perturban la luz

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Publicado el 11/18/2021

Los arcoiris, así como las plumas de pavo real, son el resultado de un fenómeno óptico. Se trata de la difusión. Pero entender la otra cara de este juego de luces probablemente estropee su belleza. He aquí el spoiler de estos pequeños fenómenos que vuelven el mundo más bello.

Los niños tienen a menudo preguntas sobre el mundo con toda su inocencia. Nosotros, adultos, nos percatamos a veces de que o no tenemos la respuesta o que nunca nos lo hemos preguntado. Una o dos que salen frecuentemente son: «¿Por qué el cielo es azul?» o «¿Cómo se fabrican los arcoiris?»

La respuesta simple a estas dos preguntas es la difusión. Podemos así responder que es la magia de la madre naturaleza. Esta es bonita, nos ha dejado índices para entender mejor esos juegos de magia.

Dos métodos para la difusión de la luz

Cuando un rayo de luz (rayo incidente) alcanza una partícula y esta partícula desvía el rayo es la difusión. Si el rayo es desviado en una dirección particular se habla de difusión anisotrópica. Imaginad que Sasuke (el del manga Naruto) utiliza su chakra para hacer su técnica de los mil pájaros, la energía generada va en direcciones aleatorias bajo forma de pequeños rayos.

Figura 1: esquema de difusión anisotrópica de una partícula, ilustración del personaje Sasuke y de su técnica de los mil pájaros.

Si el rayo es desviado en todas las direcciones sin preferencia, se habla entonces de difusión isótope. Como una esfera o una cúpula. En el mundo del manga se puede comparar esto a la versión 1 de la técnica Rasengan de Naruto.

Figura 2: Esquema de la difusión isotope de una partícula, ilustración de la técnica de los mil pájaros de Naruto.

La difusión se produce con todas formas de ondas. Para hacerlo simple es como el teléfono sin cable. Un dato principal llega a alguien (haz incidente) y cuando una persona lo recibe, este lo esparce entonces a las personas que están a su alrededor. Éste lo dice a todos sus próximos de la misma forma (difusión isotope) o lo dice sólo a algunos (difusión anisotrópica). Sin embargo en los dos casos la gravedad del dato de base es modificada.

El efecto Tyndall y el ejemplo de la bola de discoteca

El efecto Tyndall es, en resumidas cuentas, como una bola de discoteca. La luz llega arriba y se vuelven a emitir haces en todas direcciones. Pero estos haces que vuelven a ser emitidos forman una especie de halo alrededor de la bola (difusión isotope) o sólo en una dirección (difusión anisotrópica). Sin embargo es necesario que esta tenga un tamaño determinado para que esto sea posible.

Figura 3: Esquema de ilustración del efecto Tyndall

El efecto Tyndall es lo que se ve cuando se está en una habitación donde entra la luz: se puede ver el haz de luz gracias a las partículas de polvo que flotan.

Figura 4: Foto de ilustración del efecto Tyndall

Si las partículas tocadas tienen un tamaño equivalente a un centímetro de pelo (10 nm) próximo de la longitud de onda de la onda incidente, las partículas ya no se comportan de la misma forma. A partir de cierto tamaño, las bolas de discoteca no van a volver a emitir la luz de la misma manera.

Cuando una partícula está en presencia de la luz (radiación electromagnética), la nube electrónica de la partícula se deforma. El núcleo ya no está en el centro de la partícula. Es como observar a un niño que hace hula hoop desde el cielo. Cuando el aro (nube electrónica) cae al suelo, el niño (el núcleo) está en medio de este. Cuando comienza a hacer girar el aro nunca está en el centro exacto del aro.

Figura 4: Esquema de un niño haciendo hula hoop, vista desde arriba

Si estuviéramos en un videojuego, cuanto más haga girar el aro el niño, más puntos gana. Al final se ve como a Mario quién ha atrapado una estrella al volante de su kart. La nube electrónica oscila a la misma frecuencia que la oscilación del haz incidente. Lo que va a generar un haz.

La difusión de Rayleigh

Según Lord Rayleigh, físico inglés, el poder del haz emitido es inversamente proporcional a la longitud de onda del haz incidente. Cuanto más corta es la longitud de onda (próxima del violeta / azul) más grande es la potencia del haz emitido. Si se envía luz natural (la luz blanca del sol) hacia las bolas de discoteca y éstas miden un centímetro de pelo, éstas van a volver a emitir sobre todo la parte azul del haz incidente.

El ejemplo más típico es el cielo cuando hace buen tiempo. Ahora ya sabéis por qué el cielo es azul. En la atmósfera hay muchas partículas de pequeño tamaño. Cuando son tocadas por los rayos del sol éstas difuminan. Pero difuminan sobre todo azul y violeta. Las partículas emitirán una onda azul / violeta / verde más potente que las demás.

El mismo principio se aplica para las personas de ojos azules.

Figura 5: Esquema de ilustración de la difusión de Rayleigh

En el fondo de nuestros ojos se encuentra la estroma y el epitelio pigmentario. El epitelio contiene melanina y lipofuscina que son pigmentos.

Figura 6: Esquema de ilustración de la córnea presentada bajo forma de capas

Esos pigmentos son las partículas que van a reaccionar a la luz incidente y difundirla mientras la luz se refleja en el fondo de los ojos. Esta luz va a ser difundida y podrá dar el color azul / verde que vemos en los ojos de ciertas personas.

La difusión de Rayleigh y el efecto Tyndall son casos particulares de una teoría más vasta. Se trata de la difusión de Mie. Esta teoría se aplica a partículas que tienen un tamaño de entre 0,1 y 10 veces el valor de la longitud de onda. Si se piensa a la longitud de onda, ésta es igual al tamaño medio de un humano (1,70 m), entonces las partículas tienen un tamaño que varía entre el tamaño de una rata pequeña (17 cm) y el de una anaconda adulta (17 m).

Muchos casos particulares de esta teoría permiten explicar eventos naturales como los arcoiris, el color de las plumas de los pavos reales, etc. La teoría de Lorrenz Mie permite hacer también granulometría, es decir, medir el diámetro de ciertas partículas. El dominio de su tamaño puede ser utilizado en la fabricación de medicamentos o de compuestos terapéuticos. Cuando una empresa fabrica un medicamento en forma de polvo, el tamaño de las partículas durante la fase de molido puede hacerse en línea por medio de una medida por granulometría láser. Controlar el formato de las partículas permite tener el control sobre la eficacia misma del medicamento.

La difusión tiene campos de aplicación más vastos, como los radares o los sonares (para la retrodifusión de ondas sonoras). Pero ahora sabéis que el fenómeno que os permite hacer marcha atrás sin chocar contra el vehículo de detrás es el mismo que el que “fabrica los arcoiris”. Entender las implicaciones permite desmitificar ciertos elementos de la naturaleza. Y de hacerse con toda la magia.

Fuentes :

1. https://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_de_Rayleigh

2. https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/bilan-radiatif-terre2.xml

3. Comparisons between geometrical optics and Lorenz-Mie theory

4. https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-20-17-2911