FECHA: 20/12/2019
AUTOR JUSTO R. PÉREZ CRUZ
Dpto. de Física AplicadaUniversidad de La Laguna El arco iris es uno de los espectáculos más bellos que nos ofrece la naturaleza. Sin embargo, nadie sospecharía que detrás de él subyacen una serie de fenómenos físicos que nos han permitido conocer el interior de la materia hasta límites insospechados.
La similitud con el arco iris de la luz refractada a través de un vidrio era conocida desde antiguo. Sin embargo, no fue hasta la aparición de los primeros telescopios, de la mano de Galileo Galilei (1564-1642) y Johannes Kepler (1571-1630) que la dificultad provocada por este fenómeno en el enfoque de los mismos llamó la atención de los científicos, especialmente de Isaac Newton (1642-1727). Newton puso en evidencia que la luz del Sol está compuesta por rayos de diferente refrangibilidad que visualizamos como diferentes colores. Lo que le llevó a proponer un nuevo tipo de telescopio basado en la reflexión de la luz en un espejo parabólico, en lugar de la refracción a través de las lentes en que se basaban los diseños de Galileo y Kepler.
En esta misma evidencia ahondaron los experimentos realizados por William Herschel (1738-1822) y Johannes Ritter (1776-1810) a principios del siglo XIX. Herschel colocó termómetros sobre los diferentes colores en que se descompone la luz solar y pudo comprobar que la temperatura más alta se alcanza en la región no iluminada, justo a continuación del rojo. Ritter, por su parte, observó un comportamiento similar con el ennegrecimiento del cloruro de plata, si bien en este caso el efecto es mayor en la región situada más allá del violeta. Estos experimentos, que se interpretan actualmente como el descubrimiento de la radiación infrarroja y ultravioleta, dieron pie a James C. Maxwell (1831- 1879) a considerar la luz como radiación electromagnética, de manera que es la diferente longitud de onda (visible, infrarrojo, ultravioleta, etc.) quien le confiere propiedades diferentes en lo que a su interacción con la materia se refiere.
El dispositivo experimental de Newton fue perfeccionado por Joseph Fraunhoffer (1787-1826). Este observó que la luz solar, al ser descompuesta por un dispositivo óptico, presenta un conjunto de líneas oscuras situadas en la misma posición relativa respecto de la distribución de los colores, efecto que también constató en la luz proveniente de los planetas y estrellas. La relación de estas líneas con las propiedades de la materia fue puesta de manifiesto por Gustav Kirchhoff (1824-1887) y Robert Bunsen (1811-1899) al analizar luz procedente de la llama producida por diferentes sustancias. En este caso, observaron que, cuando la sustancia se encuentra con un suficiente grado de pureza, la luz proveniente de su llama se descompone en un conjunto de rayas luminosas sobre un fondo oscuro, al contrario de lo observado con la luz solar. Sin embargo, cuando la luz de una fuente luminosa pasa a través de un gas frío observaron rayas oscuras sobre un fondo brillante análogas a las que se aprecian en el espectro solar. Concluyeron que cada elemento tiene una forma particular de absorber o emitir luz siendo la longitud de onda a la que emite a alta temperatura la misma a la que absorbe cuando se enfría.
Kirchhoff y Bunsen interpretaron que las líneas oscuras en el espectro del Sol corresponden a absorción en la región externa más fría de la radiación procedente del interior solar, mucho más caliente. Clasificando las líneas observadas fueron capaces de identificar la presencia en el Sol de un gran número de elementos comunes en la Tierra. Sus experimentos les llevaron asimismo a descubrir dos nuevos elementos, el cesio y el rubidio, cuyo nombre proviene de las líneas azules (cesio) y rojas (rubidio) presentes en su espectro. Unos años más tarde, William Crookes (1832- 1919) descubrió el talio utilizando la misma técnica y asociando su nombre a las líneas verdes de su espectro.
El conocimiento del espectro de la radiación electromagnética se amplió con el descubrimiento de las ondas hertzianas en 1887 por Heinrich Hertz (1857-1894), los rayos X por Wilhelm Röntgen (1845-1923) en 1895 y los rayos gamma por Paul Villard (1860-1934). La hipótesis cuántica formulada por Max Planck (1858-1947) en 1900 condujo a la interpretación de las líneas observadas en los espectros como consecuencia de la absorción o emisión de radiación cuando un sistema cambia de un estado cuántico a otro de diferente energía.El comportamiento en los distintos rangos de longitudes de onda es consecuencia de la interacción con distintos grados de libertad de la materia. Así, la radiación infrarroja interacciona con la vibración y rotación de las moléculas, la luz visible y los rayos X con los electrones, los rayos gamma con los estados nucleares y las radiofrecuencias con el spin.
En los primeros momentos de la experimentación en este campo, cada grupo de investigadores diseñaba y calibraba su propio instrumental. La situación cambió a partir de 1950, cuando equipos comerciales estuvieron disponibles. La incorporación del láser incrementó exponencialmente las posibilidades de los equipos al permitir desarrollar nuevas técnicas como la espectroscopía resuelta en el tiempo que hace posible estudiar no solo la estructura sino la dinámica de una amplia variedad de procesos. Su aplicación fue más allá del mero interés por estudiar la composición de la materia y equipos como, por ejemplo, los de resonancia magnética nuclear, se convirtieron en herramientas habituales en el diagnóstico clínico.
La Universidad de La Laguna dispone de un variado equipamiento espectroscópico distribuido entre los departamentos e institutos de investigación. Gracias a ellos y al trabajo de sus investigadores se han publicado cientos de artículos en revistas especializadas y se desarrollan numerosos proyectos de investigación, tanto experimentales como teóricos o de aplicación a la tecnología y las ciencias de la salud.
Pero sin necesidad de sofisticados equipamientos, siempre podemos disfrutar del espectáculo que nos ofrece la naturaleza cada vez que la radiación solar interacciona con las gotas de agua. En la imagen que ilustra este artículo, captada por la cámara del profesor Vicente D. Rodríguez (reconocido investigador en este campo) en las proximidades del templo de Ankorg Wat (Camboya) se puede observar una combinación de efectos producto de la refracción de la luz (arco iris) y de la dispersión de la luz (ausencia del azul en el arco iris e iluminación rojiza del disco central), consecuencia de haber sido tomada en el atardecer. Prueba tú mismo.