¿Qué es un cuerpo luminoso?
Un cuerpo luminoso es todo objeto natural o no natural que emita su propia luz, siendo esta la parte del espectro electromagnético visible por los ojos humanos. Lo contrario de un objeto luminoso es uno no luminoso.
Los objetos no luminosos son visibles debido a que son iluminados por la luz emitida por los objetos luminosos. A los cuerpos no luminosos se les denomina también cuerpos iluminados, aunque no siempre están en ese estado.
Los objetos luminosos son fuentes primarias de luz, ya que la emiten, mientras los objetos no luminosos son fuentes secundarias de luz porque reflejan la producida por los primeros.
Ejemplos de cuerpos luminosos y no luminosos
Objetos luminosos
Existen objetos en la naturaleza capaces de emitir luz. Entre ellos cabe citar:
- El Sol.
- Las estrellas.
- Los insectos luminiscentes, como las luciérnagas.
- Los rayos.
- Las auroras boreales o luces del norte.
Los siguientes son objetos luminosos hechos por el humano:
- Lámparas o bombillas incandescentes.
- La llama de una vela.
- Lámparas fluorescentes.
- Luces LED.
- La pantalla de un teléfono móvil.
Objetos no luminosos
En la naturaleza hay muchos objetos que no emiten luz por sí mismos, pero pueden estar iluminados:
- La Luna, que refleja la luz del Sol.
- Los planetas y sus satélites, que también reflejan la luz del Sol.
- Los árboles, las montañas, los animales, reflejan la luz del cielo y del Sol.
- El cielo azul y las nubes. Son visibles debido a la dispersión de la luz solar.
Características de los cuerpos luminosos y su luz
- Emisión de luz propia. La característica principal de un cuerpo luminoso es que emite luz por sí mismo, en lugar de simplemente reflejar la luz de otras fuentes. Esto se debe a la presencia de procesos internos que generan energía lumínica, como la combustión en una vela o la reacción nuclear en el Sol.
- Temperatura elevada. Muchos cuerpos luminosos tienen una temperatura elevada en su superficie o núcleo. Por ejemplo, el Sol tiene una temperatura superficial muy alta debido a las reacciones nucleares que ocurren en su interior, lo que le permite emitir luz y calor.
- Diversidad de colores. Pueden emitir luz en una amplia gama de colores, dependiendo de su temperatura y composición. Por ejemplo, las estrellas pueden tener diferentes colores según su temperatura, desde rojas (más frías) hasta azules (más calientes).
- Fuentes naturales y artificiales. Pueden ser naturales o artificiales. Por ejemplo, el Sol, las estrellas y algunos minerales son cuerpos luminosos naturales, mientras que las bombillas eléctricas y las lámparas de neón son ejemplos de cuerpos luminosos artificiales.
- Energía radiante. Emiten energía en forma de radiación electromagnética, que incluye luz visible, infrarroja y ultravioleta, entre otras. Esta radiación puede tener diferentes longitudes de onda y energías, dependiendo de la fuente luminosa.
- Autoluminiscentes o incandescentes. Pueden emitir luz de diferentes maneras. Algunos son autoluminiscentes, lo que significa que generan luz debido a reacciones químicas internas, como una luciérnaga. Otros son incandescentes, lo que significa que emiten luz debido a la alta temperatura de su superficie, como una bombilla incandescente.
¿Cómo generan la luz los cuerpos luminosos?
Los fotones son emitidos por los átomos de los cuerpos luminosos cuando estos han sido excitados, de modo tal que los electrones de los orbitales atómicos pasan a estados de mayor energía, que luego decaen a estados de menor energía con la consecuente emisión de fotones.
Todo cuerpo, si se le aumenta la temperatura, pasa a ser emisor de luz. Un trozo de metal a temperatura ambiente es un cuerpo no luminoso, pero a 1.000° Celsius es un cuerpo luminoso, porque los electrones pasan a ocupar niveles más altos y al decaer a niveles más bajos emiten fotones en el rango del espectro visible.
Esto es lo que ocurre a nivel atómico con todos los cuerpos luminosos, ya sea el Sol, la llama de una vela, el filamento de una bombilla incandescente, los átomos del polvo fluorescente de la bombilla ahorradora o los átomos del diodo LED, el cuerpo luminoso artificial más reciente.
Lo que varía de un caso al otro es el mecanismo de excitación para que los electrones pasen a niveles atómicos de mayor energía, para luego decaer y emitir fotones.
Todo lo que vemos es el pasado
La visión no es instantánea, pues la luz viaja a una velocidad finita. La velocidad de la luz en el aire y en el vacío es del orden de los 300.000 kilómetros por segundo.
Los fotones de luz que salen de la superficie del Sol tardan 8 minutos y 19 segundos en llegar hasta nuestros ojos. Y los fotones que emite Alfa Centauri, nuestra estrella más cercana, tardan 4,37 años en llegar a nuestros ojos si estamos mirando al cielo.
Los fotones que podamos observar a simple vista o a través de un telescopio de la galaxia de Andrómeda, la más cercana a la nuestra, habrán salido de allí hace 2,5 millones de años.
Incluso cuando vemos la Luna, estamos viendo una Luna vieja, pues lo que estamos mirando es una imagen de hace 1,26 segundos. Y la imagen de los jugadores de un partido de fútbol que vemos en las gradas a 300 metros de los jugadores, es una imagen vieja una millonésima de segundo en el pasado.
Dualidad de la luz
Según las teorías más aceptadas, la luz es una onda electromagnética, como lo son las ondas de radio, las microondas con las que se cocinan los alimentos, las microondas de la telefonía celular, los rayos X y la radiación ultravioleta.
Sin embargo, también está compuesta de partículas llamadas fotones. La luz tiene este comportamiento dual, lo que se conoce en física como dualidad onda-partícula.
Toda la variedad de ondas electromagnéticas se diferencian en su longitud de onda. La parte del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir se denomina espectro visible.
El espectro visible corresponde a un estrecho margen del espectro electromagnético comprendido entre 0,390 micrómetros y 0,750 micrómetros. Este es el tamaño característico de un protozoo (ameba o paramecio).
Por debajo del espectro visible, en longitud de onda, está la radiación ultravioleta, cuya longitud de onda es comparable al tamaño de las moléculas orgánicas.
Y por encima del espectro visible está la radiación infrarroja, cuyo tamaño es comparable a la punta de una aguja. En la punta de esa aguja caben de 10 a 100 protozoarios, es decir, de 10 a 100 longitudes de onda del espectro visible.
En cambio, las microondas tienen longitudes de onda comprendidas entre los centímetros y los metros. Las ondas de radio tienen longitudes comprendidas entre los cientos hasta miles de metros. Los rayos X tienen longitudes de onda comparables al tamaño de un átomo, mientras que los rayos gamma tienen longitud de onda comparable al núcleo atómico.
Colores y espectro visible
El espectro visible incluye la variedad de colores que pueden distinguirse en un arcoíris, o en la luz solar dispersada en un prisma de vidrio. Cada color tiene una longitud de onda que puede expresarse en nanómetros (la millonésima parte de un milímetro).
El espectro luminoso y sus longitudes de onda en nanómetros (nm), de mayor a menor, son como sigue:
- Rojo. Entre 618 y 780 nm.
- Anaranjado. Entre 581 y 618 nm.
- Amarillo. Entre 570 y 581 nm.
- Verde. Entre 497 y 570 nm.
- Cian. Entre 476 y 497 nm.
- Azul. Entre 427 y 476 nm.
- Violeta. Entre 380 y 427 nm.
El cuerpo negro luminoso, la energía y el ímpetu
La luz tiene energía e ímpetu. Cada color del espectro visible corresponde a fotones de diferente energía y diferente ímpetu o cantidad de movimiento. Esto se supo gracias a los pioneros de la física cuántica, como Max Planck, Albert Einstein y Louis De Broglie.
Max Planck descubrió que la energía luminosa viene en paquetes o cuantos, cuya energía E se mide en Joules y es igual al producto de una constante fundamental de la naturaleza conocida como constante de Planck, que se denota con la letra h y la frecuencia f en Hertz.
E = h∙f
Este descubrimiento fue hecho por Planck para explicar el espectro de radiación de un cuerpo luminoso, que solo emite radiación pero no refleja ninguna, conocido como el “cuerpo negro” y cuyo espectro de emisión cambia según la temperatura.
La constante de Planck es h=6,62×10^-34 J*s.
Pero fue Albert Einstein el que afirmó, de forma indudable, que la luz eran fotones con energía dada según la fórmula de Planck, como única manera de explicar un fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico, en el que un material iluminado con luz emite electrones. Fue por este trabajo que Einstein recibió el premio Nobel.
Pero el fotón, como toda partícula y a pesar de no tener masa, tiene un ímpetu o cantidad de movimiento dado por una relación descubierta por Louis De Broglie en el marco de la dualidad onda-partícula del fotón y de los objetos cuánticos.
La relación de De Broglie afirma que el momentum p del fotón es igual al cociente de la constante de Planck h y la longitud de onda λ del fotón.
P = h / λ
El rojo tiene una longitud de onda de 618×10^-9 m y una frecuencia de 4,9 x 10^14 Hz, entonces la energía de un fotón es 3,2×10^-19J y su ímpetu es 1,0×10^-27 kg*m/s.
En el otro extremo del espectro visible está el violeta, con una longitud de onda de 400×10^-9 m y una frecuencia de 7,5 x 10^14 Hz, entonces la energía de un fotón es 4,9×10^-19J y su ímpetu es 1,7×10^-27 kg*m/s. De estos cálculos concluimos que el violeta tiene más energía y más ímpetu que el rojo.
Referencias
- Tippens, P. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. Mac Graw Hill.
- Espectro Visible. Recuperado de es.wikipedia.com.
- Espectro Electromagnético. Recuperado de es.wikipedia.com.
- Fuente de luz. Recuperado de es.wikipedia.com.
- Física, óptica, naturaleza de la luz. Recuperado de es.wikibooks.org.