martes, 21 de mayo de 2013

Mama ... ¿Porque el cielo es azul?

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¿Porque el cielo es azul durante el día y rojizo durante el amanecer y el atardecer?¿Porque las nubes son blancas y tienden al negro según van teniendo más carga de agua? Estas preguntas tienen, como respuesta, dos nombres propios: John William Strutt, tercer Barón de Rayleigh y Gustav Mie.

Pero para comprender bien el porqué de estos fenomenos, primero deberíamos responder dos preguntas previas. Por un lado ¿que es la luz?, y por el otro ¿que es el color?.

¿Que es la luz?

La luz es una radiación electromagnética, que es posible ser percibida por el ojo humano. Esta radiación electromagnética está producida por unas partículas subatómicas denominadas fotones, que son las responsables de todas las radiaciones electromagnéticas  incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

Como todas las partículas subatómicas tiene una naturaleza corpusculo-ondulatoria, es decir, que por un lado se comporta como un objeto físico (corpusculo) y por otro, tiene un comportamiento de una onda. El primer comportamiento es fácil de entender: el fotón es una partícula física que se encuentra en un espacio determinado. 

El segundo comportamiento (ondulatorio) viene dado porque los fotones viajan en "grupos" o "paquetes", a los que denominamos "cuanto" (de estos paquetitos, viene el nombre de cuántico, que procede del latín  "quantus" -cuanto-). La distancia entre estos paquetitos, nos da lo que conocemos como longitud de onda.

Ahora ya estamos en disposición de contestar a la segunda cuestión...

¿Que es el color?

Podríamos decir que los colores son el conjunto de las diferentes longitudes de onda de radiación electromagnética que puede percibir el ojo humano. En el gráfico podemos ver las diferentes longitudes de onda y a que tipo de onda que corresponden. A las ondas que se pueden percibir por nuestros ojos, las llamamos "espectro del visible". Dentro del espectro del visible, los paquetitos que viajan más separados entre si (mayor longitud de onda), corresponden con el color rojo, que va poco a poco tendiendo hacia el violeta, según va haciéndose menor esa longitud de onda (los paquetitos viajan más cerca unos de otros). Las ondas que tienen una longitud de onda tan alta que se salen del espectro del visible se denominan "infrarrojas" y las que tienen una longitud de onda tan corta que tampoco las podemos ver, se denominan "ultra violeta".



Hay que poner atención el que el color no es una propiedad de los objetos o de la onda electromagnética, sino que es un fenómeno profundamente psicológico. El hecho de que veamos los objetos de nuestro alrededor de un determinado color, se debe a que nuestro cerebro interpreta así la señal recibida desde los ojos. Es necesario que exista una persona (o animal con visión cromática) para que exista el color. Esto explica enfermedades como el daltonismo o la acromatopsia, por no hablar trastornos como la micropsia, también conocida como "Sindrome de Alicia en el país de las maravillas" .



Y ahora ya si que si, estamos en disposición de responder a la pregunta que da título a nuestro post de hoy...

Dispersión de Rayleigh y Mie

La dispersión de Rayleigh (en honor a Lord Rayleigh) es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mucho menor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

El sol, nos envía radiación electromagnética en multitud e longitudes de onda, que al llegar a nuestra atmósfera choca con las diferentes partículas del aire. Parte de la energía que transmiten los fotones se transfiere a estas partículas que vibran y emiten luz en todas las direcciones. Las ondas cortas (como hemos visto antes, las azules y las violetas) son las que tienen una mayor carga energética y, por tanto, mayor difusión. Como la luz blanca contiene más de azul que de violeta y, a lo demás, nuestros ojos son más perceptivos al azul, el color que percibimos de forma genérica en el cielo, es el azul.

En el amanecer y el atardecer, la luz solar no da de forma perpendicular, sino que tiene un mayor ángulo. Esto hace que la luz tenga que recorrer mucha más distancia a través de la atmósfera, lo cual hace que se pierdan las longitudes de onda cortas y permanezcan las largas. Por ese motivo prevalecen los colores rojizos. En este efecto también influye la cantidad de polvo que haya en la atmósfera.




La difusión de Mie es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mayuor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

Este fenómeno se aplica, de forma tradicional, a las nubes. Las partículas absorben una parte de la luz y reflejan el resto, como pequeños espejos. Aquí el color depende de la composición de la partícula. En el caso de las nubes, si son poco densas, tienden a reflejar todas las longitudes de onda. Pero si están muy cargadas de agua, este efecto se acentúa y favorece la aparición de colores grises. 



El que haya una gran cantidad de aerosoles en la atmósfera también provoca un acentuamiento de esta dispersión. La dispersión de Mie produce una mayor difusión de la partículas hacia delante o hacia el frente de ella. Conforme aumenta el tamaño de la partícula, la dispersión hacia enfrente también aumenta (el tamaño de la partícula directamente proporcional con la dispersión). Esta característica genera amaneceres más rojos que lo que serían solo por el efecto de la Dispersión de Rayleigh.

El efecto Mie domina la atmósfera de Marte. Su cielo no es azul sino de un plomizo rojo y amarillo. Carl Sagan describe la decepción de la prensa cuando mostraron las primeras fotos del cielo de Marte. Nada comparable a nuestro hermoso cielo azul.

Pd: Parte de la información aquí mostrada, ha sido modificada a partir del gran artículo sobre el Efecto Rayleigh y efecto Mie, publicado en Astromia.com, a quienes es de justicia darles las gracias.

Fdo.: Jose Enrique Carrera Portillo
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jueves, 16 de mayo de 2013

LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (I)

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Aire, agua, tierra y fuego han sido los materiales que, desde la edad de piedra, el ser humano a reconocido y utilizado. No fue hasta el inicio de la ciencia moderna, con la escuela Jónica, en la antigua Grecia, que el ser humano no se planteó cual era la composición básica de todo lo que lo rodeaba.

Fue Leucipo de Mileto(1), maestro de Demócrito, quien en el siglo V e.a.(2) fundó la escuela atomista, la cual afirmaba que la realidad estaba formada por partículas infinitas, indivisibles, de formas variadas y siempre en movimiento llamadas átomos, que significa “indivisible” («ἄτομον» - «sin partes»). Afirmaban que la materia estaba formada por partículas materiales indestructibles, desprovistas de cualidades y que no se distinguen las unas de las otras más que por la forma y dimensión(3).

Siempre su asocia la idea de la primera teoría atómica a John Dalton (4) y, no sin razón. Pero a decir verdad fué Mijail Vasílievich Lomonósov quien, en unos artículos escritos entre 1743 y 1744 ( “Sobre las partículas físicas intangibles que constituyen las sustancias naturales” y “Sobre la adhesión de los corpúsculos”) recupera este concepto de átomo y lo plasma de forma evidente en un tercer artículo donde utiliza en término mónada (acuñado por Leibniz), con el título “Sobre la adhesión y la posición de las mónadas físicas”.

John Dalton (4), alimentandose de las ideas de Leucipo de Mileto y, conocedor de los trabajos de Lomonósov, propone de nuevo una teoría atómica pero, esta vez, con bases científicas. Esta ley fué formulada para explicar porqué ciertas reacciones químicas se daban solamente, en proporciones constantes (la denominada Ley de las proporciones constantes(5) ). Dalton explicó su teoría en base a seis enunciados simples:

  1. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
  2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de diferentes elementos tienen pesos diferentes. Comparando los pesos de los elementos con los del hidrógeno tomado como la unidad propuso el concepto de peso atómico relativo .
  3. Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas.
  4. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
  5. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
  6. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.


Dados los conocimientos actuales, el modelo atómico de Dalton puede parecernos insuficiente e, incluso, un poco infantil, pero constituyó el primer intento basado en evidencias y pruebas científicas de explicar como y porqué estaba constituida la materia. Eso sin contar que serviría de base para todos los modelos posteriores que, sin duda, han resultado cruciales en el avance científico y técnico de la actualidad.


Varios átomos y moléculas representados en A New System of Chemical Philosophy (1808 de John Dalton )

A finales del siglo XIX hay dos descubrimientos clave en el avance de nuestro conocimiento de la composición de la materia. Por un lado, en 1896, Henri Becquerel(6) descubriría la radiactividad trabajando con sales de uranio. Descubrió que al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, esta se ennegrecía, debido a que la radiación emitida por el uranio atravesaba elementos opacos a la luz ordinaria.

Al año siguiente, Joseph John Thomson(8), descubriría el electrón. Determinó que la materia estaba constituida por una parte positiva y otra negativa. Y en 1898(7), el matrimonio Curie descubrirá el Polonio y el Radio.

Con toda esta serie de eventos, el propio Joseph John Thomson, en 1903, propondrá su propio modelo atómico, en el que se incluyen por primera vez la polaridad de cargas, existiendo una carga positiva y otra carga negativa. Su modelo es popularmente conocido como el “modelo del puding de pasas” ya que propone que el átomo es una esfera de carga positiva, con los electrónes “incrustados” por toda su superficie, de forma uniforme, de forma similar a como veríamos las pasas en un punding.



Modelo atómico de Thomson

Pero este modelo, que aunaba las virtudes del modelo de Dalton, con los resultados obtenidos con los tubos de rayos catódicos (la existencia de una carga negativa), chocaba frontalmente con la teoría de la dispersión de Rutherford(9) (también conocida como dispersión de Couloumb - 1909). Esta teoría explicaba la dispersión de partículas eléctricamente cargadas, al acercarse a un centro de dispersión que también estaba cargado eléctricamente (experimento de Rutherford(10)). Con este experimento se llegó a la conclusión de que la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo debía estar concentrada en un pequeño espacio en el centro del átomo.

Un año después de que Joseph John Thomson desarrollara su teoría atómica, en 1904, Hantaro Nagaoka(11) desarrolló un modelo planetario, en el que consideraba que existia un centro cargado positivamente, muy masivo, mientras que los electrónes lo rodeaban orbitando a una distancia y unidos a él por fuerzas electrostáticas, de forma similar a como veríamos los anillos con Saturno.

El propio Nagaoka desecharía su propia teoría en 1908, pese a que el antes mencionado experimento de Rutherford diera confirmación experimental a su teoría. Nagaoka consideró que los anillos se repelerían entre sí, dando lugar a un modelo inestable.

El propio Rutherford, en el artículo que escribió, proponiendo la existencia de un núcleo atómico, cita a Nagaoka, como base de su teoría. Como veremos más adelante, esta es la base del modelo de Bohr (también conocido como modelo atómico) y que resultaría fundamental para los siguientes modelos actuales.

(Continuará...)

Relacionados:

   - LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (II) 

Referencias:
  1. - Acrónimo que significa “Era Común” (en inglés se encontrará como c.a. - Common Age). Es el sustitutivo de lo que anteriormente se denominaba d.c. (después de Cristo).
  2. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel
  3. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie y http://es.wikipedia.org/wiki/Pierre_Curie
  4. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Thomson
  5. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Dispersi%C3%B3n_de_Rutherford
  6. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Rutherford
  7. - Ver ref. http://en.wikipedia.org/wiki/Hantaro_Nagaoka







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