Físico Química de los Colores

DR. GUILLERMO SÁNCHEZ MEDINA

La conceptualización científica

Aquí en esta obra vale la pena referirnos más profundamente a dirimir: ¿qué es la luz?. Se­gún los conocimientos actuales provenientes del Siglo XX, la luz es producida por el fotón.

El Fotón ⁽⁶⁾

El fotón (del griego φως, φωτος, luz) también denominado gamma o “γ”, es la partícula mediadora de la interacción electromagnética. Debido a la dualidad onda-corpúsculo, los fotones están asociados a cualquier radiación electromagnética. Pueden producirse en diver­sos procesos: Saltos de los electrones entre los orbitales atómicos; Transiciones nucleares; Aniquilación partícula-antipartícula; Cualquier fluctuación de un campo electromagnético que dé lugar a radiación electromagnética.

En el vacío los fotones se mueven a la velocidad de la luz, alrededor de 3×108 metros por segundo, más cuando aquella, la ley, es producida por las fotones, más cuando aquella, la luz es producida por los fotones. En otros medios su velocidad es inferior y depende, en general, de la frecuencia de la radiación asociada. La energía de los fotones está cuantizada, siendo su valor E=hν, donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la luz.

Siglo XIX Maxwell

El nombre de “fotón” surgió 20 años después a su predicción y fue propuesto por Einstein (1905). Sin embargo, en el Siglo XIX Maxwell explicaba la luz a través de los fenómenos eléctricos y magnéticos y de radiación electromagnética de acuerdo a su ecuación. El nombre de fotón fue propuesto por Gilbert N. Lewis, (1926), ⁽⁷⁾; la luz en vez de ser una radiación electromagnética era una onda; más tarde vino el experimento del “efecto foto­eléctrico” en el cual una luz arranca electrones del metal produciendo electricidad como un efecto. Se observó que con una bombilla de luz azul podría desprenderse electrones y con ello energía y luz. Einstein amplió la idea de Planck de la cuantización de la energía; es decir, la luz según Einstein, estaría compuesta por partículas puntuales llamadas “cuantus de luz” que dependen de la frecuencia (cuanto mayor frecuencia, mayor energía de “cuantus de luz”). La luz azul produciría efectos fotoeléctricos y la roja no. De tal manera el fotón sería una partí­cula de luz y no una onda; la dualidad onda-partícula debería entenderse como una función.

Fotón

Según las concepciones actuales el “fotón”, es un corpúsculo de luz o partícula elemental que media la interacción electromagnética como manifestación cuántica. El fotón tiene masa nula, carga y color neutros, vida estable, no interacciona y no se comporta como una anti­partícula; tiene las funciones del “spin”, es decir de giro. Los cuantos de luz, son las cantida­des indivisibles de energía que interviene en los procesos de emisión, actuación de radiación y absorción electromagnética. El fotón es un paquete de energía de luz o partícula de luz más pequeña que se comporta como onda y como cuantus de energía. La energía de un fotón es igual a “h . u” en donde “u” es la frecuencia de luz “u”, oscilación por segundo, y “h” es la constante de Planck. La constante (h) de Planck, es una medida física de nivel de energía de los cuantos que se utiliza para encontrar un medio y conocer el comportamiento del átomo y sus partículas; de ahí que hubo que idear esta constante que funciona como una escala entre la energía y el tiempo (t) para marcar la frontera entre el macro y el microcosmos, h=6.626 0693(11) x 10-34 J. s = 4.135 667 43 (35) x 10-15 ctv. 

Esa escala de dimensión que nos otorga la “constante de Planck”, puede ser expresada también de la siguiente manera: la escala de dimensión que nos otorga la “constante de Planck” puede ser expresada también con al sigla h 

(Lea También: El Hombre Racional e Irracional del Siglo XXI)

Entiéndase aquí que la radiación funciona como una onda y la radiación electromag­nética funciona en el campo cuantizado por fotones que, como ya se explicitó anterior­mente, son partículas cuánticas con doble naturaleza corpuscular y ondulatoria.

El fo­tón se caracteriza por su longitud de onda y frecuencia o estado del “spin” (giro). La longitud de onda determina la escala del fotón y el modelo lineal. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio.

La “energía de fotones” es la producida o derivada o derivada cuando un electrón se desplaza de una órbita externa a una interna; cuando eso pasa, se emite un fotón; por lo tanto esto último equivale a que estas partículas sub-atómicas tienen la característica de producir luz, (Trefil, 1985), (Serway, 1992)

Con respecto a la “teoría del fotón de Einstein”, éste en 1905 hizo la suposición acerca de la naturaleza de la luz y postuló que aquella se comporta como si “la energía se concen­trase en paquetes localizados, más tarde llamados fotones”. La energía E de un solo fotón está dada por E = hv; en donde v es la frecuencia de la luz o del fotón y h es la constante de Planck; a su vez, “la noción de que un haz luminoso se comporta como una corriente de par­tículas contrasta por completo con la noción de que se comporta como una onda”.

Estos conceptos expuestos en textos anteriores sirven para entender en la teoría ondu­latoria de la luz, como la energía no se concentra en paquetes sino que se distribuye uniformemente en los frentes de onda.

La energía se convierte en cinética cuando es del electrón; si el electrón no pierde energía a causa de colisiones al escapar del metal tendrá una energía cinética mayor. La hipótesis del fotón de Einstein supone “que si du­plicamos la intensidad de la luz, se duplicará el número de fotones y también se duplicará la corriente fotoeléctrica” (Op. cit.).

Se dice que “el fotón tiene justo la energía suficiente para expulsar los fotoelectrones y nada extra aparece como energía cinética”. El concepto de fotón de Einstein “parecería ser insostenible por el momento”. Recuérdese que Planck no aceptó inmediatamente la teoría de los fotones de Einstein. Sin embargo, fue por la teoría del fotón aplicada al efecto foto-eléctrico, por la que Einstein recibió el Premio Nobel de física en 1921.

En realidad la “teoría fotónica” de la luz corresponde más a Einstein, quien con sus pro­pias palabras escribió: “Si un haz de radiación origina que una molécula emita o absorba un paquete de energía (hf), entonces, ésta (E) transfiere a la molécula un cantidad de momento hf/c dirigida a lo largo de la línea del haz en la absorción y opuesta al haz en la emisión” ⁽⁸⁾. De aquí en adelante vinieron los ya nombrados conceptos de dispersión, choque, difracción, sorpresa, corrimiento de la longitud de onda de los rayos X dispersados, imagen cuántica de la transferencia del momento y de la energía entre un fotón de rayos X y un electrón y la “transferencia” de parte de la energía al fotón de retroceso; estos conceptos, fueron en parte, consignados por Compton, del cual proviene la expresión: ecuación de corriente y longitud de onda de Compton (1892-1962).

Este físico estadounidense ya mencionado, supuso que el fotón se comporta como una partícula que choca elásticamente con un electrón libre en reposo y el fotón se considera como una partícula de energía; de ahí la energía del fotón. Es necesario considerar además cómo “el espectro de absorción de un elemento tiene muchas aplicaciones prácticas para determinar los propios elementos”; por su parte cono­cemos cómo el “espectro continuo de la radiación emitida por el sol debe pasar a través de los gases más fríos de la atmósfera, a través de la atmósfera solar y de la tierra dejando, de todas maneras, su espectro”. El modelo inicial para el estudio de todos estos postulados fue el del átomo de hidrógeno y de ahí se extendió a otros elementos existentes en las atmósferas estelares calientes en los que se suceden con frecuencia los choques atómicos y sus líneas espectrales.

El “efecto Compton” se refiere a una acción fotoeléctrica de interacción entre la radiación y la materia, entre fotones y electrones (en los cuales se tiene en cuenta la energía de los fotones), su impulso lineal, la capacidad calorífica (en términos cuánticos), las longitudes de onda de los rayos X los cuales cambian después de haber sido dispersadas (las longitudes de onda) por los electrones (9); esos últimos siendo oscilatorios, irradian ondas electromagné­ticas con una frecuencia. El haz de rayos X incidente se comporta no como una onda, sino como un conjunto de fotones de energía. El fotón incidente trasfiere parte de su energía al electrón con el cual choca.

Cuando un fotón choca con un electrón se supone que este último está en reposo y está libre; toda esta conceptualización se denomina ahora el “efecto corri­miento Compton” que es puramente cuántico. “Durante los choques de fotones, los electrones ligados, se comportan como electrones libres muy pesados y esto ocurre porque se supone que tiene una coraza iónica, la cual retrocede totalmente durante el choque”. Aquí viene una pregunta: ¿Qué pasa cuando los fotones y los electrones libres están en acción y se produce el choque y qué ocurre con el choque de fotones? La respuesta puede dirigirse en el sentido de que la cantidad de movimiento o momentun neto cambia; hay transferencia de energía de un sistema a otro; el resultado de esta interacción, es que la frecuencia o longitud de onda de las partículas incidentes y reflejadas cambian.

El “efecto fotoeléctrico” ya descritos por Compton proporcionan indiscutiblemente una prueba de la existencia del fotón, de la naturaleza de la partícula de la radiación electromag­nética, de los espectros de energía continua, de las radiaciones térmicas que se originan de los átomos, y sus partículas, de las longitudes de onda, separadas por espacios en donde no existe radiación. En realidad, los espectros se pueden detectar a través de espectroscopios y clasificar como “espectros de línea y líneas espectrales por la emisión y absorción de radia­ciones”; estos mismos provienen de moléculas; obviamente las radiaciones como fotones tie­nen energías definidas e indican el “sistema emisor o absorbedor o captador de la radiación” de estas energías, las cuales a la vez, tienen un movimiento, una velocidad y por lo tanto una acción y una función.

Todo esto lo estudia la mecánica cuántica que contempla la molécula, el átomo, el núcleo, las partículas y subpartículas.

De lo que carecemos hasta el momento son de los experi­mentos y las investigaciones de la interrelación de la física cuántica y los fenómenos mentales psicodinámicos, más los supuestos mecanismos que pueden interrelacionarse para hacer inferencia para la construcción de la teoría. Aquí viene una pregunta: ¿Será que la teoría puede probarse?; ¿puede hacerse una inferencia? La respuesta es ambigua. Sin embargo, existen teorías de punta que están en los límites de esta franja de comprensión y de acción e interrelación entre la teoría ondulatoria y los fenómenos psíquicos, del pensar, comunicar, imaginar, memorizar y aprender.

En resumen el fotón es una partícula o corpúsculo o paquete de emisión de luz más pe­queña, que se comporta como onda y como “cuantus” de energía. Como partícula es me­diadora como intersección electromagnética y es la manifestación cuántica; es un bosón. Tiene masa nula, carga negativa y de color; tiene spin, vida estable; su antipartícula es ella misma.

No es constituyente de la materia sino un intermediario de las interacciones de las partículas; pueden existir muchos fotones haciendo exactamente lo mismo; con los fotones se puede obtener los rayos láser, pero no láser de electrones; siente la fuerza gravitatoria, de ahí los agujeros negros; tiene una energía y momento determinado que puede transmitir al átomo; tiene un momento lineal y fuerza de empuje; dos fotones de frecuencias diferentes no tienen la misma energía y el mismo momento; como cuantus de luz, tiene una cantidad indivisible de energía que interviene en los procesos de emisión y actuación de la radiación y absorción de onda electromagnética; la función de onda es simétrica; es respon­sable de la luz, los rayos X, radiaciones electromagnéticas, onda de radio, microondas, radios infrarrojos, ultravioleta, rayos gama y láser. Todas las reacciones se deben a interacciones eléctricas o a intercambio de fotones.

El campo electromagnético está cuantizado por fotones (partículas cuánticas) con doble naturaleza corpuscular ondulatoria. El fotón se caracteriza por la longitud de onda, frecuencia o estado de espín; la longitud de onda determina la energía del fotón y el modelo lineal y por lo tanto tiene fuerza y empuje, pero no la misma con el mismo “momento”; con pocos o muchos fotones se tienen energía que compone la radiación electromagnética (luz-rayos). Sin fotones no hay vida.

Reflexionemos sobre cómo estas fuerzas y radiaciones electromagnéticas son emitidas en el universo a millones de años luz, pudiéndose producir resonancias de luz, color y vida biológica y psíquica a través del universo. Traigo la figura para que cada lector se pregunte si ¿un pedazo del firmamento le conduce a pensr en algo efímero o grandioso, de la tempo­roespacialidad en que vive el ser humano? La respuesta la dejo abierta a cada cual.

6 Textos de la obra: “Cerebro Mente. El pensamiento cuántico”., (2009).

7 Aunque Planck y Einstein avanzaron en el concepto de los cuantos, Einstein no hizo uso de la palabra de fotones en sus primeros escritos. La palabra “fotón” se originó de Gilbert N. Lewis años después del artículo fotoeléctrico de Einstein y apareció en una carta al editor de la revista Nature 1926.

8 Op. cit. Serway, p. 1203 9 Artur Compton (1892-1962) descubrió en 1923 esas longitudes de onda.