¿Qué es en realidad la luz blanca?

Question

Estaba estudiando espectros y de repente surgió una pregunta relacionada con los espectros de absorción. Cuando decimos que el electrón absorbe ciertas longitudes de onda (fotones) estamos implicando que la luz blanca es una colección de infinitos fotones de muchas muchas longitudes de onda y el electrón simplemente la absorbe.

Mi pregunta es ¿qué es exactamente la luz blanca y en qué se diferencia de la luz monocromática? ¿Es un conjunto de infinitos fotones de diferentes longitudes de onda o es un solo fotón? Si es un solo fotón, entonces ¿cómo puede el electrón absorber un fotón de un solo fotón y aún así el fotón continúa con otras longitudes de onda?

Answer 1

Hay algo de confusión de términos en la pregunta.

1. Un fotón es una partícula elemental en el modelo estándar de física de partículas, ver tabla. Su masa es igual a cero, es una partícula puntual, y su energía es igual a $h*ν$, donde $h$ es la constante de Planck, $ν$ es la frecuencia de la onda electromagnética clásica, la luz, que emerge de un gran número de esos fotones. En lo que respecta al fotón, el término "frecuencia" no tiene ningún significado más que identificar su energía.

2. el electrón también es una partícula puntual en la misma tabla con una masa invariante fija de 0.51099895 MeV, que es invariante. De ninguna manera un electrón libre puede absorber un fotón, un fotón puede chocar con un electrón, su energía disminuyendo. La absorción de fotones solo puede ocurrir en colisiones de fotones con electrones ligados en niveles de energía, en átomos, moléculas y redes cristalinas. Es todo el átomo el que absorbe el fotón, el electrón cambiando niveles de energía debido a la absorción. Los niveles de energía tienen un ancho, y eso se refleja en la capacidad de los átomos de absorber fotones con un $Δ(E)$ en energía, cuyo ancho está directamente relacionado con la frecuencia de la luz de multitudes de fotones.

3. Los colores del espectro no se corresponden uno a uno con los colores que nuestros ojos han definido. El espectro de un cristal tiene frecuencias específicas que hemos nombrado con el color que vemos, y allí, hay una correspondencia uno a uno, frecuencia a color. Nota que no hay "blanco" en el espectro:

Pero nuestros ojos pueden ver los mismos colores nombrados con una combinación de frecuencias de la luz, llamada percepción del color:

El color percibido en el punto T, proviene de una combinación de frecuencias, y muchas combinaciones diferentes dan el mismo color percibido. El blanco en este gráfico está alrededor del punto acromático. Por favor lea el enlace para más detalles.

En resumen, el blanco no es un color en el espectro de la luz visible, muchas frecuencias podrían conformar la percepción del color blanco, lo que significa que fotones de una gran variación en energías conforman el color blanco.

¿Es una bolsa de fotones infinitos de diferentes longitudes de onda?

La figura muestra cómo las frecuencias se combinan para dar la percepción de blanco. Se necesitan muchos fotones para que nuestros ojos puedan percibirlos, pero incluso unas pocas centenas pueden enviar una señal al cerebro, este enlace puede interesarte.

o es un solo fotón.

Un solo fotón no puede dar la percepción de blanco.

Espero que esto ayude.

Editar: Dado que los comentarios podrían desaparecer si hay demasiados, copio aquí un comentario significativo hecho por @PhysicsTeacher:

pero cabe destacar que cuando se habla en general de "luz blanca", a menudo se refiere a la luz que contiene todo el espectro en un grado significativo, en lugar de solo una combinación de unas pocas frecuencias. Esto se debe a que el contexto es generalmente el de la iluminación, y la iluminación con una extraña y pequeña combinación de frecuencias resultará en colores distorsionados, "artificiales" en lugar de los colores "reales" (es decir, los colores vistos a la luz del día). –

Answer 2

Es muy importante entender que el blanco no es un color espectral, sino un color percibido. ¿Por qué?

El blanco no es un color espectral. Es un color percibido. El ojo humano tiene tres tipos de receptores de color, comúnmente llamados rojo, verde y azul. No hay un punto en el espectro que se pueda etiquetar como "blanco". El blanco es una mezcla de colores de tal manera que nuestros ojos y cerebro no pueden distinguir cuál de los colores, rojo, verde o azul, es el ganador.

¿Cuánto rojo, azul y verde tiene la luz blanca?

No hay un punto en el espectro que se pueda etiquetar como blanco. El blanco es percibido como color blanco por nuestro cerebro, compuesto por una combinación de diferentes colores, que los receptores de nuestros ojos detectan. Es comúnmente creído que existen tres tipos diferentes de conos para rojo, verde y azul. En realidad, estos conos están detectando fotones de longitud de onda corta (pico a 445nm, lo llamamos azul), rango de longitud de onda media (pico a 535nm, lo llamamos verde) y rango de longitud de onda larga (pico a 575nm, lo llamamos rojo).

Estos receptores tienen un rango de sensibilidad, que alcanza su pico en esas longitudes de onda, pero son sensibles prácticamente a lo largo de todo el espectro visible.

Es muy importante que puede haber muchas combinaciones diferentes de fotones (de diferentes longitudes de onda) que pueden dar la percepción de blanco. Es nuestro cerebro el que combina estas señales provenientes de los receptores en una percepción de blanco, y no podemos distinguir cómo se alcanza esta combinación, todas producirán la percepción de blanco.

Sí, un fotón por sí mismo puede estar en una superposición cuántica de diferentes frecuencias, a lo que uno podría llamar "blanco". No, probablemente tal fotón no puede ser producido por un proceso natural simple. No, dicho fotón no se vería blanco, porque la superposición colapsa al medir, dando solo una frecuencia. (Sólo una de tus células cono podría posiblemente disparar en respuesta, asumiendo que alguna dispare siquiera.) Sin embargo, una colección de muchos de esos fotones colectivamente se vería blanco.

¿Existe un solo fotón blanco?

Ahora estás preguntando acerca de un solo fotón, pero un solo fotón no puede crear la percepción de blanco, porque se necesitan múltiples fotones, con ciertas longitudes de onda diferentes para poder crear la percepción de blanco en nuestro cerebro. Por favor, ten en cuenta que, sin embargo, un solo fotón es una entidad cuántica, y es posible que un solo fotón esté en una superposición de estados de tal manera que podría interpretarse como una combinación de colores que podrían crear blanco, pero a medida que el solo fotón interactúa con los conos en el ojo, su superposición colapsa en un estado propio con una sola longitud de onda y por lo tanto no puede crear la percepción de blanco.

Answer 3

A primera vista, la pregunta tiene una respuesta trivial: la luz blanca es luz que contiene una mezcla aproximadamente uniforme de fotones de todas las longitudes de onda visibles. La luz puede aparecer blanca cuando tiene una mezcla no uniforme de longitudes de onda que excitan los tres receptores de color en la retina humana de la misma manera que lo hace una mezcla uniforme.

SIN EMBARGO, esa respuesta no aborda la pregunta que el OP parece estar haciendo realmente: "¿Puede un fotón ser 'blanco', o debe ser solo una sola longitud de onda?"

De hecho, la función de onda de cualquier fotón tiene un ancho espectral finito. Una fuente de luz adecuadamente construida puede producir fotones con un ancho espectral muy grande, abarcando todo el espectro visible. Si se mide la longitud de onda de cualquier fotón de este tipo, por supuesto, solo se obtendrá una longitud de onda; pero las mediciones repetidas obtendrán longitudes de onda que abarcan todo el espectro de la fuente. La absorción de un fotón por un átomo o molécula es equivalente a una medición del fotón.

Answer 4

Hay un poco de definición o problema de situación aquí. La luz blanca podría ser una distribución uniforme de frecuencias visibles, pero también podría no serlo. Desde una perspectiva perceptual, la luz blanca es una mezcla de frecuencias que estimulan los conos del sistema visual humano de tal manera que producen la sensación que llamamos "blanco".

A diferencia de las otras respuestas, esta mezcla no tiene que ser una mezcla uniforme de frecuencias. Si tienes a mano una buena lupa, mira un área blanca en tu pantalla de computadora. Verás que está compuesta por pequeños puntos rojos, verdes y azules, sin ninguno de los otros colores espectrales.

También es cuestión de percepción. Si alguna vez has tomado fotos de un paisaje nevado cerca del atardecer, probablemente hayas notado que lo que ves como nieve blanca, la cámara lo ve como rojizo-anaranjado. El cerebro ajusta (dentro de límites) lo que ves a lo que esperas ver - nieve blanca.

*Tiene que ser una buena, o una pantalla de baja resolución. Con mi pantalla y lupa de escritorio, apenas se pueden distinguir los puntos.

Answer 5

La luz blanca puede resultar de la combinación de diferentes fuentes monocromáticas, como se utiliza en las pantallas de televisión, por ejemplo.

Pero eso no significa en mi opinión, que toda la luz blanca resulte de una mezcla como esa. Es solo un truco para obtener un efecto sensorial, al igual que en las películas se simulan movimientos reales con secuencias de imágenes.

La luz del sol resulta de un movimiento caótico de cargas de oxígeno e hidrógeno ionizado en la superficie del sol. Las ondas electromagnéticas planas que llegan a la tierra producen en nuestros ojos una sensación "blanca".

Los colores resultan de la interacción de esa luz con la materia (redes de difracción, prismas, o simplemente absorción selectiva por superficies de materiales).