Espectre de la llum

Col·laboració de Alessandra Rosa per al capítol Música visual

L’espectre de la llum és la part de l’espectre electromagnètic que cau entre el vermell i el violeta incloent-hi tots els colors perceptibles per l’ull humà. L’espectre visible no conté com es pot pensar tots els colors que l’ull i el cervell es poden distingir: marró, rosa, magenta, per exemple, estan absents, perquè s’obtenen mitjançant la superposició de diferents longituds d’ona. Les radiacións amb longitud d’ona més curtes (i per tant, freqüència major) són els ultraviolada, els raigs X i els raigs gamma; els que tenen longitud major (i amb freqüència menor) sòn els infraroig, les microones i les ones de ràdio. Totes aquestes radiacions tenen la mateixa naturalesa, tots són de fe compostes de fotons. L’espectre visible és la part central de l’espectre òptic que inclou infraroig i ultraviolada. Les longituds d’ona visibles ocupen l’anomenada “finestra òptica”, una regió de l’espectre electromagnètic que pot travessar inalterada l’atmosfera de la Terra.

Els primers estudis sobre l’espectre visible van ser dirigits per Isaac Newton en el seu tractat titulat “Opticks”, i per Goethe, en el seu assaig “Teoria dels colors”, encara que observacions anteriors van ser realitzats en aquest sentit per Roger Bacon, quatre segles abans de Newton. Newton va usar per primera vegada el termino espectre (des del llatì “spectrum”, amb el significat de “aparença” o “aparició”) en un gravat de 1671, on descriu els seus experiments en òptica. Va observar que quan un feix de llum colpejat una superfície d’un prisma de vidre a un determinat angle, una part del feix es reflecteix, mentre que la resta va arribar a través del prisma i es separa en diferents colors. Newton hipòtitzò que la llum estava composta de partícules de diferents colors, i que cadascù color viatgat amb la seva propia velocitat, entre el de vermell (la més ràpida) i la de color violeta (el més lent). D’això es dedueix que cada color es van sotmetre a la refracció de forma diferent, canviant la trajectòria i separats dels altres.

Newton va dividir l’espectre en set colors diferents: vermell, taronja, groc, verd, blau i violeta. L’elecció de set colors no es basen en la ciència, sino en la filosofia, en particular des de la teoria sofista de la connexió entre els colors, els notes musicals (set), els planetes (en aquell moment es pensava que eren set) i els dies de la setmana (també set). L’ull humà d’altra banda difícilment poden distingir anyil de blau i violeta, el que ha portat molts a creure que haver de treure’l de la gamma de l’espectre de color. Johann Wolfgang von Goethe es limita més aviat a una descripció qualitativa del problema: en comptes de “restringir” el raig de llum per accentuar la presència de l’espectre, només va dir que a traves de “l’ ampliació” del feix de llum blanca l’espectre va desaparèixer. Després, quan es va descobrir que la llum visible és només que una petita part d’una gamma més àmplia dels fenòmens, és a dir que és un cas especial d’ones electromagnètiques, el significat de la paraula l’espectre s’ha ampliat per descriure les diferentes bandes de freqüència dels radiacións electromagnètiques.

Ara s’accepta generalment que la llum està composta de fotons, que tenen algunes de les propietats d’una ona i algunes de partícula, i que tota la llum viatja a la mateixa velocitat en el buit: la velocitat de la llum. La velocitat de la llum en un material és menor que la mateixa en el buit i la proporció entre les velocitats és coneguda com l’índex de refracció d’un material. En alguns materials no dispersius la velocitat de les diferents freqüències, que corresponen als diferents colors, no varia i així l’índex de refracció és constant. Tanmateix, en altres materials dispersius, l’índex de refracció, i per tant la seva velocitat, depèn de la freqüència que concorda amb una relació de dispersió.

En la natura es pot veure l’espectre de colors en l’arc de Sant Martí, format després d’una pluja. Els colors són visibles perquè la llum del sol passa a través de les gotes de pluja, que actuen com petites prismes.

Cada color de l’arc de Sant Martí correspon a la llum amb una determinada freqüència i longitud d’ona: la llum violeta té major freqüència i longitud d’ona curta, mentre en l’altre extrem de l’espectre la llum vermella té la freqüència més baixa i longitud d’ona major. La llum transporta energia i per fer-lo es comporta com una ona. La quantitat d’energia transmesa augmenta quan augmenta la freqüència de l’ona. A mesura que augmentem l’energia el nostre ull percep la llum amb un color que canvia de vermell a blau. Totes les freqüències dins un cert interval són presents en la llum del sol. Però la quantitat d’energia assignada a les ones de diferents freqüències no és constant. La majoria de l’energia és transportada per la llum groga, mentre les ones de freqüència diferents del groc transporten molt poca energia. La forma en que l’energia es distribueix en diverses freqüències s’anomena espectre de la radiació. El Sol tè per tant un espectre continu sobre les freqüències. Aquest espectre té un màxim al voltant de la freqüència corresponent al groc. Les fonts de color pròximes al groc són alimentades amb molta més energia que l’altres.

S’anomena espectroscòpia a la ciència que estudia els objectes basant-se en l’espectre de llum que emeten. Una aplicació particularment important d’aquest estudi és en astronomia, on els espectroscopis són essencials per a analitzar les propietats d’objectes distants. L’espectroscòpia astronòmica utilitza difracció d’alta dispersió per observar espectres a molt altes resolucions espectrals. L’heli va ser el primer element que es va detectar en l’anàlisi de l’espectre del Sol. Els elements químics poden ser detectats en objectes astronòmics per les línies espectrals i les línies d’absorció; la mesura de línies espectrals pot ser usada com a mesures de corriment al vermell o corriment al blau d’objectes distants que es mouen a altes velocitats. El primer exoplaneta en ser descobert va ser el què es va trobar amb l’anàlisi d’efecte Doppler d’estrelles; la presència de planetes va ser revelada per la seva influència gravitacional en les estrelles analitzades.

Col·laboració de Alessandra Rosa per al capítol Música visual