El documento trata sobre la fotometría y las propiedades de la luz. Explica que la fotometría mide la intensidad de la luz y describe las diferentes fuentes luminosas naturales y artificiales. También describe los fenómenos de fosforescencia, fluorescencia y bioluminiscencia. Explica conceptos como el espectro luminoso, el espectro electromagnético, y magnitudes físicas para medir la luz como el flujo radiante y la potencia radiante.

1. Ing. Alenis Arévalo
UNIDAD III: FOTOMETRIA
FOTOMETRIA: La fotometría es aquella parte de la física cuyo objeto es la
medida de la intensidad de la luz.
LUZ: La luz es una forma de energía radiante ondulatoria existente en todo el
universo, que al incidir sobre los órganos sensoriales adecuados permite distinguir
los objetos.
FUENTES LUMINOSAS: Son los cuerpos que emiten luz por sí mismos.
FUENTES INCANDECENTES: Además de luz emiten calor.
FUENTES LUMINESCENTES: Solo emiten luz.
En la naturaleza existen diversas fuentes luminosas:
Las estrellas incluyendo el sol (se trata de fusión atómica)
Los relámpagos y rayos (son descargas eléctricas)
Las reacciones químicas de combustión violenta, como las llamas y brasas en que
emiten luz los gases y especialmente el carbono
Los metales a altas temperaturas
Los gases bajo ciertas condiciones
Ciertas sustancias como el fósforo
Ciertos animales como las luciérnagas, y algunos peces abisales (que viven en
grandes profundidades)
Ciertos microorganismos como hongos y bacterias
Utilizando las propiedades de emitir luz de ciertos elementos, el hombre ha
inventado ciertas fuentes luminosas artificiales:
Las velas, lámparas y faroles de llama directa
Las lámparas y faroles de llama que produce incandescencia de ciertos materiales
(farol a mantilla)
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Lámparas incandescentes de filamento metálico calentado por electricidad
Los tubos y lámparas de gases luminescentes fríos
Los aparatos que suscitan luminosidad por excitantes electrónicos (pantallas de
TV, de calculadoras, Diodos emisores de luz -LED- y similares)
Objetos que incorporan elementos luminescentes (relojes, placas de luz, pinturas y
tintas de imprenta, etc.)
LOS FENÓMENOS NATURALES QUE EMITEN LUZ, CONSISTEN EN:
 FOSFORECENCIA - Propiedad que presentan algunos cuerpos - especialmente
el fósforo - de continuar emitiendo luz por un cierto tiempo luego de haber sido
iluminados. Actualmente existen sustancias que adquieren permanentemente esa
propiedad al ser sometidas a ciertas radiaciones y se usan en relojes luminosos,
placas de luz, carteles, pintura de indicadores en las carreteras, etc.
FLUORESCENCIA - Propiedad de ciertas sustancias de emitir luz por breve
tiempo, al ser sometidas a ciertas descargas o radiaciones. Estos efectos se utilizan
con gases como el fluor o el neón en los tubos fluorescentes o luminosos
comerciales; y también en las pantallas de TV y monitores de computador.
BIOLUMINESCENCIA - Propiedad que presentan algunos organismos vivos de
emitir luz; lo que realizan debido a reacciones químicas que ocurren en sus células
y que cumple funciones de reconocimiento, defensa y atracción sexual. Ocurre en
las luciérnagas (llamadas “bichos de luz” algunos hongos, bacterias y algas (que
dan fenómenos luminosos en el mar) y ciertos peces de los abismos marinos.
SEGÚN LA FORMA EN QUE SE COMPORTAN AL SER ILUMINADOS POR
UN RAYO DE LUZ, LOS CUERPOS SE CLASIFICAN EN:
Opacos - que no permiten el pasaje de la luz. Ejemplos: madera, metal, piedra.
Transparentes - que permiten el pasaje total de la luz. Ejemplos: aire, agua,
vidrio fino, planchas finas de material plástico (nylon o vinilo)
Traslúcidos - que permiten el pasaje de la luz en forma parcial. Ejemplos:
vidrio fino esmerilado, papel fino encerado, algunas planchas gruesas o coloreadas
de material plástico (acrílico).
ESPECTRO LUMINOSO
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El Espectro Luminosos consiste en la descomposición de la luz en diferente
longitud de onda que da como resultado los colores.
Existe el espectro visible y el no visible. Los VISIBLES son los violetas, azules
verdes, amarillos y rojos que son vistos por el ojo humano y los NO VISIBLES son
el ultravioleta e infrarrojo que no son detectables por el ojo humano.
La luz está formada por ondas, se propaga en todas direcciones y siempre en línea
recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden
propagarse a través del vacío; son llamadas ondas electromagnéticas. El hombre
sólo puede ver algunas de estas ondas, las que forman el espectro luminoso visible.
La luz blanca se produce cuando todas las longitudes de onda del espectro visible
están presentes en proporciones iguales. Gracias a Newton (1642-1727) sabemos
que la luz blanca al descomponerse origina los siete colores del espectro visible:
rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul cian, azul y violeta. La suma de todos los
colores del espectro luminoso recompone la luz blanca. El color de lo objetos
depende del espectro de la luz que incide y de la absorción del objeto, la cual
determina qué ondas son reflejadas.
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
La luz forma parte del espectro electromagnético que comprende tipos de ondas tan
dispares como los rayos cósmicos, los rayos gamma, los ultravioletas, los
infrarrojos y las ondas de radio o televisión entre otros. Cada uno de estos tipos de
onda comprende un intervalo definido por una magnitud característica que puede
ser la longitud de onda (λ.) o la frecuencia (f). Recordemos que la relación entre
ambas es:
Donde c es la velocidad de la luz en el vacío (c = 3·108 m/s).
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Espectro Electromagnético.
La absorción es un proceso muy ligado al color. El ojo humano sólo es sensible a
las radiaciones pertenecientes a un pequeño intervalo del espectro
electromagnético. Son los colores que mezclados forman la luz blanca. Su
distribución espectral aproximada es:
Tipo de radiación Longitudes de onda (nm)
Violeta 380-436
Azul 436-495
Verde 495-566
Amarillo 566-589
Naranja 589-627
Rojo 627-770
Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen
son absorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes
reflejadas son las que determinan el color que percibimos. Si la refleja toda es
blanca y si las absorbe todas es negro. Un objeto es rojo porque refleja la luz roja y
absorbe las demás componentes de la luz blanca. Si iluminamos el mismo objeto
con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo absorbe esta componente y no
refleja ninguna. Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto
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depende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de
reflejar.
CURVA DE SENSIBILIDAD VISUAL
Al igual que en la fotografía, la cantidad de luz juega un papel importante en la
visión. Así, en condiciones de buena iluminación (más de 3 cd/m2) como ocurre de
día, la visión es nítida, detallada y se distinguen muy bien los colores; es la visión
fotópica. Para niveles inferiores a 0.25 cd/m2 desaparece la sensación de color y la
visión es más sensible a los tonos azules y a la intensidad de la luz. Es la llamada
visión escotópica. En situaciones intermedias, la capacidad para distinguir los
colores disminuye a medida que baja la cantidad de luz pasando de una gran
sensibilidad hacia el amarillo a una hacia el azul. Es la visión mesiópica.
En estas condiciones, se definen unas curvas de sensibilidad del ojo a la luz
visible para un determinado observador patrón que tiene un máximo de longitud de
onda de 555 nm (amarillo verdoso) para la visión fotópica y otro de 480 nm (azul
verdoso) para la visión escotópica. Al desplazamiento del máximo de la curva al
disminuir la cantidad de luz recibida se llama efecto Purkinje.
Curvas de sensibilidad del ojo.
Toda fuente de luz que emita en valores cercanos al máximo de la visión diurna
(555 nm) tendrá un rendimiento energético óptimo porque producirá la máxima
sensación luminosa en el ojo con el mínimo consumo de energía. No obstante, si la
fuente no ofrece una buena reproducción cromática puede provocar resultados
contraproducentes.
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CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN LUMINOSA
Cualquier radiación de energía electromagnética, luz visible incluida, se puede
concebir en forma de onda. La energía se mueve hacia adelante como una ola, y la
distancia entre cada una de sus crestas es lo que se llama "longitud de onda"
(wavelenght), que se referencia con la letra griega lambda (λ).
Las longitudes de onda que corresponden a la luz son bastante pequeñas en
términos convencionales, en torno a los 0,0000005 metros (es decir: 10-6 metros).
Para mayor comodidad, se usa la medida del nanómetro (nm.), que mide una
milmillonésima parte de un metro (10-9 metros). El sistema visual humano es
sensible a las longitudes de onda situadas entre los 380 y los 780 nanómetros.
Es posible describir una luz mediante su frecuencia (abreviada por convención
con la letra "v"). La frecuencia es el número total de ondas que pasa por un punto
dado en un segundo.
La velocidad de una energía electromagnética (abreviada por convención con la
letra "v") se relaciona con su longitud de onda (λ) y su frecuencia (f) mediante la
fórmula v = f · λ.
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MAGNITUDES FÍSICAS FUNDAMENTALES PARA LA MEDICIÓN DE
LA LUZ
La luz, al igual que las ondas de radio, los rayos X o los gamma es una forma de
energía. Si la energía se mide en joules (J) en el Sistema Internacional, para qué
necesitamos nuevas unidades. La razón es más simple de lo que parece. No toda la
luz emitida por una fuente llega al ojo y produce sensación luminosa, ni toda la
energía que consume, por ejemplo, una bombilla se convierte en luz. Todo esto se
ha de evaluar de alguna manera y para ello definiremos nuevas magnitudes: el flujo
luminoso, la intensidad luminosa, la iluminancia, la luminancia, el rendimiento o
eficiencia luminosa y la cantidad de luz.
 ÁNGULO SÓLIDO (Ω)
El ángulo sólido o ángulo cónico, (denotado por la letra griega Ω) que un objeto
abarca, visto desde un punto dado, mide cuan grande aparece ese objeto al
observador. Dicho en términos simples el ángulo sólido mide qué "pedazo de cielo"
ocupa un objeto.
La unidad SI del ángulo sólido es el estereorradián, cuya abreviación es sr. Un
estereorradián es igual a un radián al cuadrado. El estereorradián (sr) es el cono
de luz difundido desde la fuente que ilumina 1m² de la superficie oscura de una
esfera de un metro de radio alrededor de la fuente. (O sea, 1 estereorradián cubre
1m² de la superficie de una esfera de 1m de diámetro.)
Para calcular el ángulo sólido bajo el cual se ve un objeto desde un punto, se
proyecta el objeto sobre una esfera de radio R arbitrario centrada en el punto.
Ω=S/R2
a=S
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Si la superficie de la proyección del objeto sobre la esfera es S el ángulo sólido
bajo el cual se ve el objeto es, por definición:
S
Ω= = Estereorradián
R2
R: radio (unidades de longitud)
S: superficie de proyección (unidades de área)
 POTENCIA RADIANTE VISIBLE
Las radiaciones electromagnéticas transportan energía, de forma que un
objeto luminoso (radiador) emite energía y cualquier objeto iluminado la recibe.
La Potencia Radiante o flujo radiante (P) es la medida de la cantidad de energía
electromagnética que emite un radiador por unidad de tiempo. Se mide en Watt.
E
P= = Watt
t
La energía transportada puede manifestarse de formas muy diversas en los
cuerpos que la reciben: propiciando reacciones químicas (fotosíntesis y bronceado),
efectos eléctricos (fotocélulas), efectos mecánicos (viento solar), calentamiento
(estufas de infrarrojos), e
 FLUJO LUMINOSO ( φ )
Para hacernos una primera idea consideraremos dos bombillas, una de 25 W y otra
de 60 W. Está claro que la de 60 W dará una luz más intensa. Pues bien, esta es la
idea: ¿cuál luce más? o dicho de otra forma ¿cuánto luce cada bombilla?
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Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos sólo a la potencia consumida por
la bombilla de la cual solo una parte se convierte en luz visible, es el llamado flujo
luminoso. Podríamos medirlo en watts (W), pero parece más sencillo definir una
nueva unidad, el lumen, que tome como referencia la radiación visible.
Empíricamente se demuestra que a una radiación de 555 nm de 1 W de potencia
emitida por un cuerpo negro le corresponden 683 lumen.
Se define el flujo luminoso como la potencia (W) emitida en forma de radiación
luminosa a la que el ojo humano es sensible. Su símbolo es y su unidad es el
lumen (lm). A la relación entre watts y lúmenes se le llama equivalente luminoso
de la energía y equivale a:
1 watt-luz a 555 nm = 683 lm
1vatio = 683 lumen
Símbolo:
Flujo luminoso
Unidad: lumen (lm)
 INTENSIDAD LUMINOSA (I)
El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de
luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si
pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece
claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del
espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.
Diferencia entre flujo e intensidad
luminosa.
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Se conoce como intensidad luminosa al flujo luminoso (φ) emitido por unidad de
ángulo sólido (Ω) en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela
(cd).
Φ Lumen
I= = = Candela
Ω esterorradián
Intensidad luminosa Símbolo: I
Φ
I= Unidad: candela
Ω
(cd)
I
La candela (cd) se define como la intensidad luminosa en una determinada
dirección, de una fuente emisora de radiación monocromática de frecuencia 540 x
1012 Hz, equivalente a 555 nm en el vacío, y que posee una intensidad de radiación
en esa dirección de 1/683 vatios por estereorradián.
 ILUMINANCIA (E)
Quizás haya jugado alguna vez a iluminar con una linterna objetos situados a
diferentes distancias. Si se pone la mano delante de la linterna podemos ver esta
fuertemente iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina una pared lejana el
circulo es grande y la luz débil. Esta sencilla experiencia recoge muy bien el
concepto de iluminancia.
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Concepto de iluminancia.
Se define iluminancia como el flujo luminoso recibido por una superficie. Su
símbolo es E y su unidad el lux (lx) que es un lm/m2.
Φ
E= = Lux
S
Iluminancia Símbolo: E
Unidad: lux (lx)
Su unidad de medida es el Lux (Lx), equivalente a la iluminación que incide
sobre cada m² de una superficie y sobre la cual se distribuye uniformemente un
flujo luminoso de un lumen.
Fuente de iluminación Iluminación (lux)
Máximo de luz solar 100.000
Día nublado 10.000
Luz de las estrellas 0,0003
Luz de plenilunio 0,2
 LEYES FUNDAMENTALES DE LS ILUMINANCIA
La Ley Inversa de los Cuadrados
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La iluminancia depende de la distancia del foco al objeto iluminado. Es algo
similar a lo que ocurre cuando oímos alejarse a un coche; al principio se oye alto y
claro, pero después va disminuyendo hasta perderse. Lo que ocurre con la
iluminancia se conoce por la ley inversa de los cuadrados que relaciona la
intensidad luminosa y la distancia a la fuente. Esta ley sólo es válida si la dirección
del rayo de luz incidente es perpendicular a la superficie.
I
Ley inversa de los cuadrados: E =
r2
La Ley del Coseno
En el caso de que el rayo de luz incidente no sea perpendicular hay que
descomponer la iluminancia en una componente horizontal y otra vertical a la
superficie.
A la componente horizontal de la iluminancia (EH) se le conoce como la ley del
coseno. Es fácil ver que si = 0 nos queda la ley inversa de los cuadrados. Si
expresamos EH y EV en función de la distancia del foco a la superficie (h) nos
queda:
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En general, si un punto está iluminado por más de una lámpara su iluminancia total
es la suma de las iluminancias recibidas:
 LUMINANCIA
Hasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan sobre propiedades de
las fuentes de luz (flujo luminoso o intensidad luminosa) o sobre la luz que llega a
una superficie (iluminancia). Pero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo
que a fin de cuentas es la que vemos. De esto trata la luminancia. Tanto en el caso
que veamos un foco luminoso como en el que veamos luz reflejada procedente de
un cuerpo la definición es la misma.
Se llama luminancia a la relación entre la intensidad luminosa y la superficie
aparente vista por el ojo en una dirección determinada. Su unidad es cd/m2 =1Nit
I Candela
L= = Nit L= = Nit
S m2
Símbolo: L
Luminancia
Unidad: cd/m2
Es importante destacar que sólo vemos luminancias, no iluminancias.
Luminancia para algunas fuentes de luz.
Luminancia (nits) Fuente
1.6 * 109 Disco solar a medio día
600.000 Disco solar en el ocaso
120.000 Lámpara incandescencia 60 W
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11.000 Fluorescente
8.000 Cielo despejado
2.500 Disco lunar en plenilunio
2.000 Cielo cubierto.
200 Pantalla de ordenador
0,0004 Cielo en noche oscura
Nota: los valores de brillo de las pantallas estándar son del orden de 150 a 250
nits. Tradicionalmente las pantallas planas tenían una menor luminancia que las de
tubo CRT, pero actualmente (2004) alcanzan niveles e 400 nits
RENDIMIENTO LUMINOSO O EFICIENCIA LUMINOSA
Ya mencionamos al hablar del flujo luminoso que no toda la energía eléctrica
consumida por una lámpara (bombilla, fluorescente, etc.) se transformaba en luz
visible. Parte se pierde por calor, parte en forma de radiación no visible (infrarrojo
o ultravioleta), etc.
Para hacernos una idea de la porción de energía útil definimos el rendimiento
luminoso como el cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia eléctrica
consumida, que viene con las características de las lámparas (25 W, 60 W...).
Φ Lumen
η= =
P Watt
Mientras mayor sea mejor será la lámpara y menos gastará. La unidad es el lumen
por watt (lm/W).
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Símbolo:
CANTIDAD DE LUZ
Esta magnitud sólo tiene importancia para conocer el flujo luminoso que es capaz
de dar un flash fotográfico o para comparar diferentes lámparas según la luz que
emiten durante un cierto periodo de tiempo. Su símbolo es Q y su unidad es el
lumen por segundo (lm·s).
Cantidad de Símbolo: Q
luz
Q = ·t Unidad: lm·s
UMBRA Y PERNUMBRA
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Penumbra: Sombra débil entre la luz y la oscuridad, la cual no deja percibir donde
empieza la una o acaba la otra. En los eclipses es una sombra parcial que hay entre
los espacios enteramente oscuros y los enteramente iluminados. Al estar ubicados
en esta sombra en un eclipse solamente se logrará observar de manera parcial dicho
fenómeno.
Umbra: En el caso de los eclipses es cuando este produce la mayor cantidad de
sombra y en donde se puede observar dicho fenómeno en su fase de totalidad.
REFLEXION Y REFRACCION DE LA LUZ
Cuando la luz, considerándola como una onda plana, impacta sobre una superficie
parte de la misma se refleja y la otra parte es absorbida, en cambio cuando pasa de
un medio a otro, parte se refleja y parte se refracta.
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Los ángulos formados por el rayo incidente y el rayo reflejado con respecto a la
normal de la superficie reflectante son iguales. El ángulo de refracción será más
pequeño que el ángulo de incidencia en el caso de que un rayo pase de un medio
que tiene menor índice de refracción a otro de índice mayor, por ejemplo, del aire
al vidrio.
También cuando pasan de un medio con mayor índice a otro con menor índice la
velocidad de las ondas disminuye debido a que se produce un aumento en la
frecuencia de la onda y el tiempo que tarda la onda en realizar un ciclo permanece
constante. Cuando el rayo atraviesa un medio y vuelve al medio original, el
ángulo con el que ingresó al medio será igual que el ángulo con el que sale del
mismo, con la diferencia que la normal se encuentra desplazada debido a la
refracción.
PREGUNTAS DE INTERÉS
¿Qué pasa cuando una luz ilumina una superficie?
Cuando la luz alcanza una superficie, pueden pasar dos cosas:
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1. Un cambio en el índice de refracción hace que la luz se vea reflejada por la
superficie. La luz así reflejada se llama "reflexión especular" (specular
reflection).
2. La luz no se refleja, sino que penetra en la materia. Sin embargo, al atravesar la
superficie, el cambio en el índice de refracción del material atravesado reduce
algo la velocidad de la luz, lo que hace que se desvíe (refracción).
La luz puede atravesar por completo un material. En ese caso decimos que ha
sido "transmitida".
El ángulo de refraccion r se corresponde con el ángulo de incidencia i y los índices
de refracción del aire (n1) y la superficie (n2). Así, si el índice de la superficie es 1,5
y el del aire 1, si el ángulo de incidencia fuera de 45º, el ángulo de refracción sería
28º.
Además, cabe la posibilidad de que la materia absorba la luz, o la disperse. La luz
dispersada o reflejada puede terminar por salir por el frente, la parte de atrás o un
costado del objeto iluminado.
¿Cómo se absorbe la luz?
La materia puede absorber la luz debido a una serie de fenómenos que incluyen
vibraciones y rotaciones atómicas, efectos de campos ligandos (ligand-fields),
orbitaciones moleculares y transferencia de cargas. Es muy usual que una sustancia
concreta sea capaz de absorber ciertas cantidades de energía luminosa. En este
sentido, las propiedades de absorción luminosa de los distintos materiales depende
de cuál sea las longitudes de onda que componen una luz dada.
La energía que las moléculas de una sustancia absorben se puede disipar en forma
de energía cinética o calorífica, aunque a veces puede volverse a emitir.
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¿Cómo se dispersa la luz?
Cuando la luz alcanza alguna forma de materia, puede resultar dispersada
(scattered). Cuando las partículas que causan la dispersión son muy pequeñas
(hablamos de unos 1.000 nanómetros), la luz se dispersa de acuerdo con la ley
propuesta por Rayleigh, según la cual las longitudes de onda más corta se dispersan
más que las largas.
En el caso de las más largas (de 4.000 nanómetros en adelante), la cantidad de
dispersión se produce conforme a las ecuaciones de Fresnel: La cantidad de
dispersión depende de la diferencia entre los índices de refracción de la partícula y
del medio por el que se dispersa, y esta diferencia depende a su vez de la longitud
de onda.
Si la luz se dispersa de forma igual por todas partes, se considera que es una
dispersión isotrópica, pero eso es más bien inusual. Las propiedades de absorción y
dispersión de las partículas son complejas y existen varias teorías para describirlas,
incluyendo la teoría Kubelka-Munk de tranferencia de radiaciones.
¿Porqué es azul el cielo?
La luz procedente del sol se compone de todas las longitudes del espectro visible.
El polvo y otros componentes de la atmósfera terrestre dispersan las longitudes
cortas (azules) del espectro luminoso más que las otras.
La consecuencia es que la luz que se dispersa desde esas partículas hace que el
cielo parezca azul, mientrás que la luz que procede directamente al mirar el sol
tiende a verse con su tono complementario, el amarillo (en el caso de las puestas de
sol, rojizo).
¿Porqué tienen color las cosas?
Hay muchas razones por la que las cosas parecen tener color. Para la mayoría de las
sustancias físicas, la causa es que sus propiedades de absorción o dispersión son
diferentes para las distintas longitudes de onda.
Así, en una sustancia que parezca ser amarilla eso ocurre debido a que tiene mayor
capacidad de absorción en la zona azulada del espectro luminoso y dispersa la luz
mejor en las zonas verdes y rojas del mismo.
Lo más usual es que un pigmento disperse la luz con mucha eficacia en una zona
del espectro luminoso y tenga su principal zona de absorción en otra. Eso explica
porque los materiales translúcidos o las películas coloreadas tengan tonos
diferentes cuando se las observa por reflexión o por transparencia.
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REFERENCIAS
La Luz. http://www.colfem.com/Webfisica/color/fuentes.htm
Luz y Materia. http://gusgsm.com/book/export/html/64
El proceso visual. http://edison.upc.edu/curs/llum/luz_vision/p_visual.html
Medidas de Luz. http://www.dcmsistemes.com/medidas.html
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