Los colores caracterizan a los elementos químicos

En esta entrada vamos a ver cómo los colores caracterizan a los elementos químicos y otras sustancias. Iniciaremos el camino conociendo las líneas de Fraunhofer, ya que fueron el inicio histórico de esta técnica. Seguiremos andando para conocer los espectros de absorción y de emisión de los elementos químicos y veremos su papel en la caracterización de los elementos químicos en colores. Haremos un “stop” en el camino para interpretar o leer desde las matemáticas lo visto hasta el momento y conoceremos el sueño pitagórico. Finalmente unas observaciones sobre los colores y su relevancia en nuestro mundo concluirán el paseo.

Las líneas de Fraunhofer

Newton fue el primero en relacionar los colores con su grado refrangibilidad el cual está relacionado con el índice de refracción -un concepto más actual-. Para ello usaba un prisma y mediante el fenómeno de la dispersión descomponía la luz blanca, en su caso la del sol, en los diferentes colores que se registran en el espectro visible (los colores del arco iris).

En 1814, el óptico Joseph Fraunhofer (1787-1826) estaba estudiando el índice de refracción de los colores en unos vidrios empleados para la fabricación de lentes. Así que también usaba un prisma para obtener los distintos colores que todos juntos forman la luz blanca. Pero además usó un anteojo, los primitivos telescopios, y descubrió unas líneas oscuras que no deberían estar.

Paradójicamente esas líneas oscuras aparecían en la luz solar lo que contrasta con el sentido común que nos lleva a pensar que la luz del sol es la más pura y completa de entre las conocidas. Fraunhofer también probó en una lámpara de su época que emitía luz blanca y esa líneas no aparecieron. Si las dos son blancas ¿por qué en una hay lineas oscuras?

Para más sorpresa este fenómeno ya había sido descubierto por William Hyde Wollaston (1766-1828), pero no le prestó mucha atención, mientras que Joseph Fraunhofer le dedicó parte de su trabajo. Con ese esfuerzo acabó mereciendo el honor de que las líneas negras del espectro solar lleven su nombre.

La espectroscopia

El fenómeno de las líneas de Fraunhofer está relacionado con los espectros de los elementos químicos y otras sustancias. Pero ¿qué es un espectro? Un espectro es lo que vimos en la entrada Los colores de un intervalos de la recta real que resumiré como la descomposición de la luz blanca en colores. Esto se consigue a través de la dispersión que sufre la luz al pasar por un prisma y coincide con el corte transversal del arco iris, cuando la luz es blanca.

Si observamos la luz del Sol, la luz de los planetas y la luz de la luna, encontraremos el mismo patrón, es decir, las mismas líneas oscuras. En cambio, si analizamos la luz de otras estrellas se tienen otras líneas oscuras. Las líneas oscuras las podemos ver como colores ocultos.

A los elementos químicos y a muchas sustancias se les puede someter a ciertas condiciones que dan lugar a un espectro como lo observado en la imagen de arriba. Allí vemos todos los colores del arco iris, pero faltan algunos porque aparecen unas líneas oscuras en su lugar. Así que esas líneas oscuras caracterizan al elemento químico o sustancia.

Para conseguir esas condiciones tenemos dos procedimientos que, en cierta forma, se complementan. Por un lado, si calentamos un cuerpo a temperaturas altas, emitirá una luz que, al someterla a un prisma, se dispersará para dar a lugar a un espectro de emisión. Recibe el nombre de emisión porque el cuerpo emite luz. Entonces aparecen siempre las mismas líneas oscuras para ese cuerpo, pero que le distingue de los demás. Este es el caso de la imagen de abajo donde hay más líneas oscuras que colores (a simple vista).

Por otro lado, si un elemento químico en estado gaseoso es atravesado por una luz blanca que, a su vez, es dispersada mediante un prisma, obtendremos un espectro de absorción. Mientras que el anterior emitía luz, este procedimiento provoca la absorción de ciertos colores. Aquí las líneas oscuras son menos abundantes como se puede ver en el espectro solar.

Nota: el espectro solar es un espectro de absorción.

Además, estos espectros se complementan, es decir, se verifica la Ley de Kirchhoff que según un Físico Loco nos dice que las líneas que aparecen en el espectro de emisión se ocultan en el espectro de absorción cuando las dos técnicas son sometidas al mismo elemento químico. Como he dicho, son una caracterización de los elementos químicos. Así que, esta técnica nos permite analizar las sustancias solo conociendo los espectros.

La espectroscopia es la ciencia que estudia la relación entre las sustancias y su espectro. Con ella, se originó la astrofísica porque permite analizar la luz proveniente de los cuerpos celestes y conocer su composición química.

La lectura matemática

Dicho lo anterior y teniendo en cuenta el artículo previo a este podemos concluir que los colores caracterizan a los elementos químicos. Como los colores del espectro son actualmente identificados por la longitud de onda, tenemos una manera de numerar los elementos químicos, cuya utilidad está por llegar.

Este es un sueño pitagórico. Él y su escuela creían que todo era numerable, que a todo se le podía asignar un número (o varios) de manera que nos facilite la vida. No se trata de matematizar por puro frikismo ni por capricho de algunos, sino para hacer la vida más agradable a todos.

Si un conjunto de números puede caracterizar a un elemento químico nos da un abanico de posibilidades más ancho. Podemos referirnos a los elementos químicos por su nombre, por su formulación química o por sus números. Esta variedad de elección, números y letras, nos da más ventajas para describir su naturaleza y su comportamiento con otros elementos químicos.

Fijémonos que la ciencia para expresar sus conocimientos usa palabras (al escribir), imágenes (al comunicarse con la ayuda de la pantalla o del papel), sonidos (al hablar, al grabar a los animales, al escuchar el corazón), números y expresiones algebraicas (al relacionar magnitudes) y demás. Así que, si mejoramos los números o la forma de asignar unos números a las cosas, estamos mejorando la ciencia. Obviamente, lo mismo sucederá si mejoramos las palabras, las imágenes, los sonidos y otros elementos expresivos que no haya mencionado.

Observación

Matematizar no es sinónimo de materializar o menospreciar. ¡Qué más da ser un nombre o un número cuando te ningunean! ¡Qué más da ser un nombre o un número cuando te identifica como persona! Se trata de respetar y ser respetado, te identifiquen como un conjunto de cifras o de letras.

¡Vaya con los colores!

Como hemos visto los colores no solo son buenos para vestir, sino que también son buenos para caracterizar a los elementos químicos y muchas otras sustancias. La luz blanca puede ser dispersada en varios colores lo que da lugar a un espectro completo. Si esa luz va ligada a un elemento químico de alguna de las anteriores formas, tenemos otro espectro distinto en el que faltan colores y se da una caracterización.

Por ello me gustaría terminar diciendo:

Dadme un conjunto de colores y os daré una sustancia.

No obstante, esta conclusión es bastante prematura porque aun no hemos avanzado lo suficiente para afirmarla. Pero… bueno. A parte de eso me vuelvo a preguntar:

¿Qué paría si ese conjunto de colores que es el espectro se identifica por un segmento numerado de una manera independientemente de la longitud de onda?

Bibliografía

• Solís Santos, Carlos, y Manuel A. Sellés. Historia de la ciencia. Barcelona: Espasa Libros, 2018.
• Miralles Conesa, Luis. Física y química 3o. Valencia: Ecir, 1988.
• Wikipedia (2020)
• Sánchez, Javier. «EL FÍSICO LOCO: Espectros atómicos. Emisión y absorción». EL FÍSICO LOCO (blog). Accedido 1 de septiembre de 2020.

Agradecimientos

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