Óptica geométrica (Parte XII)

29일 전


En primer lugar mi saludo respetuoso para toda la comunidad académica y científica de steemit, en especial a #stem-espanol, #steemstem, #curie, #cervantes , #entropia y #steemitasclub, seguimos con el vínculo entre la óptica y la geometría, es decir, la óptica geométrica.

Introducción

Continuamos con el análisis de la espléndida óptica geométrica y sus rayos luminosos con su propagación rectilínea, con ellos hemos podido generar cualquier tipo de imagen en nuestra retina, es decir, a través de ellos podemos captar y disfrutar de nuestro majestuoso entorno, por lo tanto, es necesario también recordar la implementación de otros importantes principios de esta ciencia como la reflexión y refracción, fenómenos que se han podido desarrollar mediante la utilización de impresionantes sistemas ópticos particulares como lo representan los espejos (o cualquier superficie pulida), lentes (o cualquier material o sustancia traslucida o transparente) y prismas.

Es necesario resaltar el análisis realizado sobre cada uno de los anteriores instrumentos ópticos, los cuales utilizan eficazmente cada rayo luminoso emitido por cualquier partícula, cuerpo u objeto de nuestro entorno, de igual forma lo hacen con aquellos rayos generados por determinadas fuentes de luz tanto artificial como natural (luz solar), a través de ellos pudimos demostrar la importancia de cada una de los principios de la óptica geométrica en cuanto al perfeccionamiento o calidad de la generación de cualquier tipo de imagen, bien sea plasmada en una determinada pantalla (superficie fotosensible) o en nuestra retina.

Con el desarrollo de esta serie temática también nos hemos relacionado con otro principio o fenómeno vinculado al imprescindible fenómeno central de la luz, como lo es la difracción, fenómeno típico entre las diferentes ondas (estudiadas por la óptica física), como aquellas que representan a cualquier haz luminoso, y esto lo pudimos comprobar mediante la elaboración de un espectroscopio con una red de difracción con reflexión, en donde, a través de este logramos descomponer la luz visible, mostrando de esta forma los distintos colores que la conforman, es decir, pudimos notar las distintas longitudes de ondas que tiene cada color, en donde, dichas longitudes constituyen el espectro visible de un determinado haz de luz.

Este espectro visible forma una pequeña parte del espectro total electromagnético, el cual tiene gran influencia en cualquier tipo de actividad relacionada con la humanidad, a través del análisis de los rayos luminosos que conforman un haz de luz se ha demostrado el gran impacto en la generación de cualquier tipo imagen, por lo tanto, estamos familiarizado con dicho fenómeno de la luz visible, pero que sucede con el resto del espectro electromagnético, es decir, aquel que nuestros ojos no puede captar, por ejemplo, aquel calor que sentimos en nuestra piel cuando los rayos luminosos del Sol impactan en nuestra piel.

Por lo tanto, nuestro contacto con todo el espectro electromagnético es contante a pesar que nuestros sistemas ópticos naturales (ojos) no puedan ver gran parte de dicho espectro electromagnético, en este espectro se encuentran rayos que componen importantes haces de luz tal y como es el caso de los rayos X, rayos gamma, infrarrojo y ultravioleta, cada cual con sus respectivas longitudes de ondas, todas estas longitudes son imperceptible a nuestra mirada, en esta oportunidad analizaremos a los rayos ultravioleta y además resaltaremos como el hombre a través de la ciencia ha logrado transformar estas ondas invisible para nuestros ojos en ondas que podemos visualizar.

Nuestro esplendido astro central, el Sol, nos transmite su energía, la cual la hemos clasificado de acuerdo a una amplia escala longitud de onda, en donde, las mayores longitudes de estas ondas son las pertenecientes a las ondas de radio, las microondas, en cuanto a las ondas de menor longitud las tienen aquella parte del espectro electromagnético reservado para los rayos X, rayos gamma y ultravioleta, es importante resaltar que por medio del espectro de la luz visible, es decir, sus diferentes colores podemos identificar el rango del infrarrojo el cual se encuentra por debajo del rojo, y de igual forma ubicamos al espectro que corresponde a los rayos ultravioleta, ya que este último lo conseguimos después del color violeta por eso son ultravioleta.

Para el análisis de estos rayos ultravioleta, partiremos como de costumbre con el principio elemental de la óptica geométrica, la emisión de rayos luminosos hacia nuestro ojos o nuestro cuerpo, de forma natural es hacia nuestro cuerpo ya que a simple vista no los podemos ver, pero a través de la fabricación de estructuras ópticas como lámparas especiales podríamos decir que hacia nuestros ojos, nos apoyaremos también en la interpretación de la óptica física y sus longitudes de ondas electromagnéticas.

Es importante tener en cuenta que para transferir cualquier tipo de energía presente en nuestro universo contamos con tres mecanismos identificados por nuestra ciencia física, los cuales son: calor, trabajo y radiación, entonces cuando hablamos de un tipo de radiación nos estamos refiriendo o identificando con una de las formas para transferir energía, sin embargo, si queremos ser un poco más preciso podemos decir que una radiación constituye un mecanismo tanto de emisión, propagación y transferencia de la energía a través del vacío, o también a través de un medio material en forma de ondas electromagnéticas, como es el caso de la radiación de los rayos ultravioletas (UV).

Cuando nos referimos a este tipo de luz estamos hablando de aquellos rayos que nuestros ojos no ven a simple vista, es decir, no se encuentran en el espectro visible por el ojo humano, sin embargo, gracias a la ciencia y la tecnología se ha podido construir o fabricar instrumentos como lámparas con materiales especiales los cuales permiten transformar los rayos UV en longitudes de ondas visibles, permitiéndonos de esta manera poder captar tales rayos ultravioletas, además implementarlos de manera favorable en innumerables e importantes actividades dentro de la humanidad.

En el anterior artículo pudimos elaborar un espectroscopio con la finalidad de observar una parte del espectro electromagnético, el espectro de la luz visible para nuestro ojos, en esta oportunidad experimentaremos o buscaremos la forma de tratar de visualizar a estos rayos ultravioleta a través de la adaptación de un sistema óptico (traslucido) a una linterna de luz blanca, un sencillo experimento pero que nos permitirá hacer la semejanza de algunas cosas que las verdaderas lámpara ultravioleta realizan.

Lo importante es poder disfrutar de cualquier tipo de imagen que se pueda generar a través de la emisión de distintos tipos de rayos luminosos, los cuales logran estimular a nuestros ojos, logrando de esta forma poder transportar hacia nuestra retina tanto la silueta o forma geométrica de una imagen oculta o invisible a simple vista, como también cualquier tipo de color o longitud de ondas emitido por dicha imagen.

Rayos ultravioleta

Es importante siempre resaltar que la luz desde el punto de vista de la óptica física es un fenómeno en forma de radiación electromagnética, a la cual podemos denominar energía radiante, además, también hemos expresado que esta energía se moviliza en forma de ondas en cualquier tipo de medio y con una dirección establecida por la óptica geométrica, es decir, con una propagación de forma rectilínea.

Cualquier rayo de luz o energía radiante visible, la podemos percibir al momento cuando la misma interactúa con la materia, como lo hemos podido observar con cada uno de los instrumentos ópticos anteriormente analizados, o con cualquier tipo de materia que conforma una determinada partícula, cuerpo u objeto que pertenece a nuestra naturaleza.

También nos encontramos con aquellos rayos igualmente emitidos por la luz natural (solar) o artificial pero que a pesar de interactuar con la materia no es posible poderla percibir con nuestra visión, esto es debido a que dichos rayos se encuentran fuera del rango del espectro o luz visible, como es el caso de los rayos ultravioletas, sin embargo, estos tipos de rayos podríamos detectar su acción sobre nuestra piel si los mismos son suficientemente intensos, lo cual nos ocasionaría una sensación de calor y notaríamos también como nuestra piel cambia de color a lo que denominamos bronceado, como podemos observar en la siguiente figura 1.


La anterior figura 1, representa un ejemplo cotidiano de como broncearnos y al mismo tiempo recibir energía de los diferentes rayos luminosos o radiaciones de la luz Solar, en especial de los rayos ultravioleta, esta exposición al Sol debe ser moderada, ya que está más que demostrado que un exceso de exposición pudiera traer graves consecuencia a nuestra piel como quemaduras, arrugas, envejecimiento y también problemas graves como el cáncer de piel, entre otros.

El impacto de los rayos o radiación ultravioleta sobre nuestra piel debemos de controlarla, de allí tomar en cuenta las recomendaciones descritas en dicha figura 1 y de esta forma poder disfrutar de las bondades de estos rayos emitidos por nuestro astro central, el Sol.

Es importante resaltar que los rayos ultravioleta son de gran utilidad para la humanidad, y a pesar de ser imperceptible para nuestros instrumentos ópticos naturales (ojos), el hombre a través de la ciencia ha podido llevarlo a longitudes de ondas captadas por el ojo humano, pero siempre es importante tener en cuenta que debemos controlar la cantidad de emisión de estos rayos hacia nuestra piel.

Espectro de los rayos ultravioleta (UV)

Este tipo de luz ultravioleta representa una forma de radiación electromagnética, por lo tanto, la misma transfiere energía desde una parte del universo a otra, dichos rayos como todo aquello que forma parte del espectro electromagnético se miden en longitudes de onda y se propagan en dirección rectilínea, esta última característica representa un elemental principio tomado de la óptica geométrica.

Debemos resaltar que el espectro visible por el ojo humano irradia entre el intervalo de 400 y 700 nanómetros (n)m, en cuanto a los rayos ultravioletas irradian a partir de 10 y 400 nm, en donde la región que representa el espectro de luz ultravioleta la podemos dividir en cuatro sub-regiones como podemos observar en la siguiente figura 2.


*La subregión UVA, también es denominada UV de ondas larga, y la misma irradia en el intervalo comprendido entre 320 y 400 nm.

*La subregión UVB, también la podemos denominar UV de longitud de Onda media y va desde 280 nm y 320 nm.

*La subregión UVC, también conocida como UV de longitud de onda corta y va desde los 180 a 280 nm.

*La subregión UV de vacío, la misma se encuentra entre los 10 y 180 nm, este tipo de luz sólo puede permanecer en el vacío ya que de lo contrario sería absorbida velozmente por el aire.

Es importante resaltar la gran utilidad que tienen este tipo de luz UV en nuestras actividades, y como la ciencia ha podido alargar su onda para que la podamos captar, podemos expresar que cualquier luz visible llevara consigo una radiación de luz ultravioleta durante la emisión de sus rayos, sin embargo, nos podríamos hacer la pregunta ¿Es posible que a través de algún método casero podemos alargar la longitud de este tipo de onda presente en una fuente natural o artificial de luz visible?

Esta pregunta la responderemos cuando experimentemos algún método casero y realicemos algunas demostraciones con dicha luz ultravioleta originada con algún material que tengamos en nuestros hogares, por lo tanto, a continuación mostraremos en las siguientes figuras los pasos más esenciales en tal experimentación.





Ya aplicamos nuestros métodos caseros para tratar de generar luz ultravioleta, pero necesitamos saber si en realidad esta generación de luz UV casera funciona, entonces, realicemos algunos ejemplos para verificar si hemos conseguido nuestro propósito, los rayos ultravioletas tienen muchas aplicaciones, analizaremos algunas de ella con nuestra luz UV casera, por lo tanto, verificaremos su accionar en la autenticación del papel moneda utilizado en nuestros billetes, en donde los mismos llegan consigo ciertas marcas oculta que solo a través de luz UV podemos observar, entre otros ejemplos como detectar algún rastro de orina, saliva o sangre, a continuación observamos la aplicación de nuestra luz UV en la siguiente figura 3.


En los ejemplos anteriores pudimos notar que nuestra luz UV casera no cumplió con el propósito encomendado, solo observamos que fortalece cualquier tipo de letra o figura escrita con algún tipo de marcador fluorescente (c), por lo tanto, para lograr tal propósito se requiere de condiciones óptimas y materiales adecuados para los cristales implementados en la elaboración de lámparas de emisión de rayos ultravioleta, como aquellas denominadas lámparas con filtros de cristal de Wood, los cuales están compuestos por elementos químicos tales como Silicato de bario-sodio y oxido de níquel, elementos que difícilmente los encontraríamos en cualquier material en nuestras casas.

Sin embargo, logramos filtrar alguna cantidad de luz visible (pero no logramos invitar a nuestro espectro a los rayos UV) ya que el espectro visible está conformado por varios colores como lo pudimos comprobar en el anterior artículo sobre el espectroscopio, con esta experiencia logramos la semejanza de luz UV la cual se implementa tanto en los ejemplos mencionados como en otros más, ya que algunas longitudes de estos rayos UV logran neutralizar algunos microorganismos lo que los convierten en germicidas.


Fluorescencia visible por la acción de rayos (UV)


Ya expresamos que la luz UV no es posible observarla a simple vista, ya que no se encuentra entre el rango visible por el ojo humano en relación al espectro electromagnético, sin embrago, como ya expresamos el hombre ha logrado diseñar con materiales especiales ciertos filtros de cristales para lámparas, las cuales son capaces de poder transformar los rayos UV en un tipo de radiación cuyas longitudes de ondas las podemos percibir debido a que le ofrecen una longitud de onda más larga.

Ahora con esta luz UV visible (de forma profesional) podemos utilizarla en distintas actividades en donde con la acción de estos rayos UV podemos observar algunas huellas o rastros que a simple vista es imposible ver, generando de esta forma una fluorescencia perceptible debido a la aplicación de dichos rayos UV sobre estas marcas ocultas o invisible antes nuestros sistemas ópticos naturales, cuando a través de la implementación de los rayos UV obtenemos una fluorescencia perceptible, la misma entra en nuestro espectro de luz visible resaltando que dicha fluorescencia pudiera tomar diferentes colores, esto dependerá del tipo de sustancia que deseamos excitar o analizar.

Conclusión

La comprensión del fenómeno de la luz nos ha permitido como humanidad poder dar gigantescos pasos hacia la consolidación de nuestro desarrollo intelectual y en consecuencia social, rayos de luz, los encontramos constantemente a nuestro alrededor y siempre será de esta forma, ya que a pesar que muchos de ellos se encuentren fuera de nuestro espectro visual hemos podido llevar sus longitudes de ondas dicha región, con la finalidad de poder disfrutar de cada una de las imágenes que dichos rayos transportan hacia nuestra retina por medio de nuestros sistemas ópticos naturales.

A partir de este artículo iniciamos con el análisis de estos tipos de rayos invisibles para el ojo humano, y que forman parte del esencial espectro electromagnético y, en donde, comenzamos con los rayos ultravioletas (UV), este tipo de radiación ultravioleta ha jugado un papel importante dentro de la humanidad, a pesar de algunos efectos adversos para nuestra salud, sin embargo, hemos podido analizar a fondo los impactos negativos de los rayos ultravioletas en nuestro cuerpo y de esta manera concientizar a cualquier persona que no debe estar expuesta por mucho tiempo a la acción de estos rayos, ya que puede traer graves consecuencias como el Cáncer u otros tipos de problemas cutáneos por nombrar solo un ejemplo.

Es importante resaltar que para lograr que esta luz UV entre al espectro visible por nuestros ojos debemos contar con condiciones óptimas, ya que se requiera de materiales especiales para la fabricación de filtros de cristales para la elaboración de cualquier tipo de instrumento o aparato destinado para la obtención de luz UV visible, esto lo pudimos comprobar en el experimento a través de métodos caseros con la finalidad de tratar de hacer visible la luz UV, lo cual no se logró, solo pudimos potencial a través de nuestra UV casera cualquier figura o letra plasmada con algún marcador de tinta fosforescente como lo observamos en la figura 3 (c).

Muchas son las aplicaciones de la luz UV, una interesante aplicación de estos rayos UV, es en la fluorescencia visible a través de la radiación de los mismos, por lo que dichos rayos nos permiten encontrar alguna huella oculta en algún objeto como es el caso del papel moneda destinado a la elaboración de los distintos billetes de cada país, mediante la utilización de dichos rayos podemos comprobar si estos billetes pueden ser falsos o no, debido a que los mismos llevan alguna marca oculta para nuestra mirada.

Otra aplicación importante es la visualización de otras huellas ocultas en documentos personales para nuestra vista como el pasaporte, huellas dactilares, o aquellas huellas originadas por la sangre, orina o semen, estas últimas relacionada generalmente a una acción de agresión o violencia, al estilo CSI (Crime Scene Investigation).

Seguimos con nuestro principal objetivo el cual no es otro que el de poder disfrutar de la formación de cualquier tipo de imagen que atraviesan nuestros ojos y llega a nuestra retina, como lo observamos en cada una de las figuras implementadas en el desarrollo de este artículo, y por lo tanto expresamos firmemente que cualquier imagen será parte de nuestra existencia, ya que podemos disfrutar de ellas, claro siempre y cuando nuestros ojos funcionen adecuadamente o dentro de ciertas características normales, a través de la óptica geométrica y sus rayos luminosos podemos apreciar nuestro universo de forma objetiva, pero sin olvidarnos que también lo podemos percibir de forma ilusoria.

Hasta otra entrega mis apreciados lectores de steemit, en especial a los miembros de la gran comunidad de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de otras maravillosas comunidades como los son #steemstem y #curie, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este ejemplar proyecto, debido a que nos permiten resaltar la ejemplar tarea de la academia y el enorme trabajo de todo el campo científico.

Nota: Todas las imágenes fueron elaboradas usando las aplicaciones Paint, Power Point y el gif animado fue elaborado con la aplicación de PhotoScape, las imágenes fotostáticas fueron captadas por el instrumento óptico (cámara fotográfica) del teléfono celular ZTE BLU Life Play 2.

Referencias Bibliográficas


[1] Charles H. Lehmann. Geometría Analítica. Décima tercera reimpresión. Editorial Limusa. México, D.F. 1989.
[2] Jennings, G.A. Geometría moderna con aplicaciones. Springer, New York, 1994.
[3] Raymod A. Serway y John W. Jewett, Jr. Ed. Thomson. Física. Edición 1 y 3. [4] Giancoli, D.C. Física, principios y aplicaciones, Reverté S.A. España, 1985.
[5] Cornejo Rodríguez Alejandro, Urcid Serrano Gonzalo. Óptica geométrica. Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. 2 da edición, octubre 2005.
[6] Cabrera J. Manuel, Fernando J. López, Fernando A. López. Fundamentos de Óptica Electromagnética, Addison-Wesley Iberoamericana, 1993.
[7] Young Hugh D. Fundamentos de la Óptica y Física Moderna, McGraw-Hill, 1971.
[8] Santos Benito Julio. Manual de óptica geométrica. UNIVERSIDAD DE ALICANTE.
[9] Espinoza Ipinza Fernanda, Rivas Poblete Viviana. Fluorescencia visible inducida por radiación UV.
[10] Sirlin Eli. Diseño de iluminación. Universidad de Buenos Aires.
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