Propiedades ópticas de los materiales (con ejemplos)
¿Qué son las propiedades ópticas de los materiales?
Las propiedades ópticasde los materiales son aquellas que se ponen de manifiesto cuando la materia interactúa con la radiación electromagnética. Estas propiedades explican diversos fenómenos como el color, la transparencia o la opacidad.
Las diferentes estructuras de los materiales, a nivel molecular, hace que la luz se absorba y refleje de diferentes maneras, produciendo efectos variados. La comprensión de estos fenómenos es fundamental en muchas tecnologías actuales, como las que se basan en las fibras ópticas.
Ahora bien, la radiación electromagnética y particularmente la luz, que es la parte visible del espectro, interactúa con el medio de tres maneras diferentes:
- Absorción, parte del haz incidente es absorbido totalmente por el medio.
- Reflexión, otra fracción de la energía incidente es reflejada de vuelta al medio original.
- Transmisión, el resto de la energía atraviesa al medio y es transmitida hacia otro medio.
Gracias a ello, desde el punto de vista óptico, los materiales se clasifican en:
- Transparentes, aquellos que la luz atraviesa completamente, permitiendo ver con claridad los objetos a través de ellos.
- Translúcidos, absorben una parte de la luz incidente y transmiten otra, de tal manera que cualquier objeto visto a través de ellos aparece difuso.
- Opacos, no es posible ver a través de ellos, ya que absorben completamente la luz incidente.
Propiedades ópticas más importantes
1. Brillo
Esta cualidad se refiere al aspecto de una superficie cuando en ella se refleja la luz. Si se producen reflejos la superficie es brillante, independientemente de su color, y si por el contrario luce apagada, se trata de una superficie mate.
Las superficies metálicas a base de plata, oro, cobre, acero y otros metales tienen brillo metálico, tal como su nombre lo sugiere. En cambio el poliestireno, algunos plásticos y el papel común son mates.
Los metales brillan porque la luz interactúa con sus electrones libres, aumentado su grado de vibración, lo que se traduce en la reflexión de sus ondas luminosas particulares.
2. Color
Los objetos son del color de la luz que dispersan. La luz blanca contiene todas las longitudes de onda y cada una de estas se percibe como un color diferente: azul, verde, amarillo, rojo… El cielo se ve azul, debido a que las moléculas de la atmósfera dispersan preferentemente esa longitud de onda, absorbiendo las demás.
En cambio, las gotas de agua y los cristales de hielo de las nubes dispersan fuera de ellas prácticamente todas las longitudes de onda, y por eso se ven blancas.
Por su parte, metales como el oro y el cobre absorben las longitudes de onda del azul y el verde, reflejando las del amarillo y el rojo. Y la plata, el acero y el aluminio reflejan todas las longitudes de onda visibles y por eso lucen de color blanco plateado.
3. Transparencia y opacidad
Los materiales que dejan pasar toda la luz visible que incide en ellos son transparentes. Tal es el caso del agua líquida, las láminas de acrílico transparente y los cristales de las gafas. En cambio los materiales que no lo hacen son considerados opacos, por ejemplo piezas metálicas o de madera.
Los materiales translúcidos poseen características intermedias, absorben una parte de la luz que los atraviesa y transmiten el resto. Ejemplo de esta clase de sustancias son algunos aceites y los cristales de hielo.
Es importante destacar que algunos materiales son opacos a ciertas longitudes de onda y transparentes ante otras. Un caso es la atmósfera de la Tierra, que es opaca en gran medida a la radiación infrarroja emitida por el planeta, siendo en cambio transparente a la luz que viene del Sol.
4. Luminiscencia
Algunas sustancias expuestas a ciertos estímulos energéticos, tienen la capacidad de absorber la energía y luego espontáneamente emitir una parte en el rango de luz visible o cercano a él. Para algunos materiales, basta con la exposición a la luz solar, otros en cambio requieren una radiación más energética, como los rayos X.
No solamente las radiaciones electromagnéticas dan origen a la emisión de luz, sino también estímulos mecánicos, eléctricos, térmicos y más.
Este fenómeno luminoso tiene su origen en el hecho de que los electrones en los átomos se disponen en niveles de energía discretos o cuantizados. Si absorben energía, son capaces de pasar de un estado de menor energía a uno mayor, y cuando más tarde regresan al estado original, emiten el exceso de energía en forma de luz.
Fluorescencia y fosforescencia
Se denomina fluorescencia a la emisión de luz que ocurre dentro de 10−8 segundos luego de la exposición del material a la fuente emisora de energía. En cambio, la fosforescencia ocurre cuando la emisión de luz del material luminiscente dura más de 10−8 segundos.
Termoluminiscencia
Algunos materiales aislantes o semiconductores son capaces de emitir luz al calentarse continuamente por debajo del rojo. A causa de esto el sólido emite luz posteriormente.
No debe confundirse este fenómeno con la incandescencia, como la que se da cuando una corriente eléctrica atraviesa un filamento conductor de tungsteno, en una bombilla de luz convencional.
La termoluminiscencia se utiliza con frecuencia para datar objetos cerámicos que contienen ciertos minerales, ya que la intensidad de la luz emitida por estos es proporcional al tiempo transcurrido desde que pasaron a formar parte del objeto por otro calentamiento anterior. Con este método pueden fecharse muestras de hasta 500.000 años de antigüedad.
Triboluminiscencia
Algunos tipos de cuarzo y los cristales de azúcar de caña emiten luz al ser desmenuzados, frotados o deformados de alguna manera. En ocasiones, algunos sismos vienen acompañados de fenómenos lumínicos asociados a la triboluminiscencia de las rocas en la corteza terrestre.
Electroluminiscencia
Son sustancias semiconductoras que emiten luz cuando se le aplica una diferencia de potencial. El efecto se usa mucho en los tableros de los automóviles, juguetes y elementos decorativos.
Quimioluminiscencia y bioluminiscencia
Ciertas reacciones químicas liberan energía en forma de luz y si ocurren en los seres vivos, se denomina bioluminiscencia, observada en insectos como luciérnagas y en mucha de la vida marina.
La quimioluminiscencia se emplea en ciencias forenses a través del luminol, una sustancia que permite determinar si se ha esparcido sangre sobre una superficie, aunque se haya limpiado cuidadosamente. El luminol reacciona con pequeñas cantidades del hierro de la sangre y produce un tenue resplandor cuando la habitación está en penumbra.
5. Dicroísmo
Algunas sustancias muestran colores diferentes según el ángulo desde el cual se miren, es decir, dispersan una determinada longitud de onda en cierto ángulo.
6. Birrefringencia o doble refracción
Son sustancias en cuyo interior la velocidad de la luz no es la misma en todas las direcciones.
Un frente de ondas luminosas que incide en un material de este tipo genera dos conjuntos de ondas secundarias tangentes entre sí, a lo largo de una dirección específica, llamada eje óptico. El efecto es que a través de un cristal birrefringente se ven dos imágenes del mismo objeto, ligeramente desplazadas.
Ejemplo de sustancias birrefringentes son la calcita y el cuarzo cristalino.
7. Fotocromismo
Es el cambio de color en ciertas sustancias, provocado por la interacción con algún tipo de radiación electromagnética u otro tipo de estímulo externo de tipo físico o químico, como el paso de una corriente eléctrica, la fricción, un cambio en el pH o calor.
Estos materiales se utilizan para diversos fines, como en la elaboración de gafas para el mejoramiento selectivo de la agudeza visual, cristales protectores para las viviendas y parches indicadores del grado de exposición ante explosiones, entre otras aplicaciones.
8. Polarización
Los campos electromagnéticos que conforman la luz no polarizada se pueden mover en cualquier dirección perpendicular a la dirección de propagación. Pero hay sustancias que cuando son atravesadas por luz no polarizada, solo dejan pasar la luz que vibra en una determinada dirección.
Una manera de obtener luz polarizada es haciéndola pasar por un cristal birrefringente, y eliminando una de las dos componentes, como en el caso del prisma de Nicol.
Un cristal de turmalina puede absorber la luz que vibra en todas direcciones excepto en una, por eso los cristales con los que se fabrican las láminas polaroid emplean turmalina.