Interacción luz-materia y apariencia de un objeto

Estoy tomando un curso de gráficos por computadora, y el maestro dijo que podíamos poner materiales en sus categorías principales:

  • como espejo
  • brillante o especular
  • difuso

Sugirió que la ley de la reflexión es inmutable y se aplica a todo tipo de superficies, pero que las superficies brillantes y difusas se ven así debido a su microestructura. La rugosidad de estas superficies hace que los rayos de luz se reflejen en direcciones aleatorias, desdibujando así la luz entrante. Hasta ahora, todo bien.

También insistió en la idea de que las superficies (lo esperado en el caso de los metales) reflejan el color de la luz incidente. En otras palabras, si la luz incidente que incide en un espejo es blanca, la luz reflejada es blanca (y no amarilla como ocurre con el oro, pero de nuevo el metal es un caso diferente).

Lo que no entiendo es que: si usa "rugosidad" para explicar por qué algunos materiales son brillantes y otros difusos, las superficies difusas también reflejan el color de la luz entrante como lo hacen las superficies de los espejos. Por lo tanto, si la superficie tipo espejo no tiene un color propio (ya que solo reflejan el color de la luz entrante), las superficies difusas también deberían hacerlo. Pero los objetos difusos tienen un color propio (que las superficies de los espejos no tienen). Por lo tanto, hay una falla en el razonamiento que no puedo resolver.

Entiendo que el color del objeto proviene del hecho de que los electrones que componen los átomos de los que está hecho el material absorben selectivamente fotones de una longitud de onda específica y reflejan los otros. Sin embargo, ¿significa que refleja estos fotones siempre en la dirección del espejo? ¿Cómo y por qué sucede eso de esa manera si este es el caso?

Estoy tratando de poner en una sola imagen todas las piezas del rompecabezas juntas. La luz solo puede reflejarse o refractarse, sin embargo, los objetos están coloreados porque absorben algunas frecuencias de luz, pero me dijeron que el "reflejo de espejo" no afecta el color de la luz incidente (en otras palabras, que el color de la luz reflejada y la luz incidente el color es el mismo en el caso de reflejos de espejo).

Estoy totalmente perdido y realmente agradecería si alguien pudiera arrojar luz sobre este misterio.

Respuestas (2)

Hay mucho que decir sobre esto, 18490. El tl;dr para los fanáticos de Mythbusters está al final.

  1. La mayoría de los materiales son algo transparentes.
    Esta es la razón por la que a menudo se necesitan dos o tres capas de pintura en una pared. La luz ingresa al material, viajando muchas micras antes de ser finalmente absorbida o dispersada. El resultado suele ser que la mayor parte de la luz se absorbe (la mayoría de los materiales son bastante oscuros) y la luz que se dispersa hacia atrás es difusa y, por lo general, coloreada. Esto es cierto incluso si la superficie es lisa.

  2. Incluso si el material es algo transparente, o completamente transparente como el vidrio, habrá algo de reflexión en la superficie debido a la diferencia en el índice de refracción entre el material y el aire, pero esto suele ser solo un pequeño porcentaje. Esto ocurre por un mecanismo diferente y no depende en gran medida de la longitud de onda. Si la superficie es lisa, obtiene una apariencia brillante, pero aún puede ver el color subyacente.

  3. Los metales, por otro lado, son muy opacos.
    La luz se refleja básicamente desde la superficie, penetrando solo unos pocos nanómetros en el metal. El mecanismo de reflexión es diferente nuevamente: involucra todo el material, no requiere dispersión por átomos individuales o partículas más grandes. Por lo tanto, a menudo reflejan una gran proporción de la luz y son más bien blancos (es decir, plateados, reflejando todas las longitudes de onda). El oro es, por supuesto, de color dorado. Si la superficie es lisa, actuarán como espejos.

  4. Pero, ¿qué pasa con la nieve y las nubes blancas e hinchadas? Estos están hechos de miles de millones de diminutos cristales de hielo o gotas de agua. Cada uno refleja parte de la luz que lo golpea debido al efecto del índice de refracción. Debido a que el agua y el hielo son transparentes, la luz puede entrar en la nube, ser rebotada unas cuantas veces por algunas gotas, atravesar otras y salir sin ser absorbida. Algo similar sucede con otros polvos blancos, como el dióxido de titanio que se usa en las pinturas. Resultado: blancura mate perfecta.

El ítem 1 conduce al conocido aforismo: "No puedes pulir una mierda". Sin embargo, ¡los cazadores de mitos demostraron que sí se puede!

estiércol de león

Gracias por tu esfuerzo, Akrasia, pero esto sigue siendo confuso. 1) Primero necesitas varias capas de pintura. Pero la pintura es una caja de polímero transparente en la que se mezclan pigmentos. Entonces, debido a que el polímero es transparente, la capa es transparente, este no es un buen ejemplo de material típico (carbón, madera, arcilla, mármol, cemento, etc.). Si el material es transparente, la luz debe refractarse. Entonces, ¿por qué parece difuso? No hay refracción sino dispersión. ¿Por qué hay dispersión si el objeto es transparente? Entonces, ¿refracción o dispersión?
This occurs by a different mechanism, and is not strongly dependent on wavelength. ¿Qué mecanismo? If the surface is smooth you get a glossy appearance, but you can still see the underlying colour? ¿A qué te refieres con suave, de qué color? ¿El vidrio transparente o el agua tiene color?

Buena pregunta.

La clave es darse cuenta de que una superficie similar a un espejo envía rayos de luz a tus ojos directamente desde la fuente; simplemente rebotan en el espejo. Lo que ves es la fuente, y el color de la fuente.

No así para un objeto difuso. En este caso, la luz de la fuente incide en el espejo y no rebota directamente en el ojo. Va a todas partes.

Ahora dale la vuelta a esto: ¿de dónde viene la luz que entra en tu ojo? Viene de todas las fuentes cercanas . La lámpara cercana, el techo, el jarrón de flores... cada objeto del que emana luz. La luz de cada una de estas fuentes golpea la superficie difusa y se dispersa en todas las direcciones. Una pequeña parte de la luz de cada fuente se dispersa en la dirección de tu ojo. La luz que entra en tu ojo es una combinación muy mezclada de luz, que contiene colores de todas esas fuentes.

En una habitación promedio, todos los colores de luz están disponibles en todas las fuentes. Cuando se suman, forman algo blanquecino. Cuando esa luz "blanca" golpea la superficie difusa, de hecho, algunos colores son absorbidos. Entonces, lo que ves es el color del objeto difuso en sí. Bueno, casi de ese color, porque la luz entrante no será perfectamente blanca.

Si estuviera en una habitación oscura con solo lámparas rojas proporcionando luz, entonces, por supuesto, toda la luz dispersada es roja y el objeto parecerá rojo independientemente del color de sus pigmentos.

Gracias Garyp, entiendo todo esto... lo que me gustaría saber es en qué dirección la luz es reflejada por una superficie que absorbe la luz supongo (y me encantaría que lo confirme un físico que podrías ser ). ¿La refleja en la dirección de reflexión? De ser así, ¿por qué las cosas se reflejan sistemáticamente en esa dirección independientemente de si el material absorbe (un objeto coloreado) o no (vidrio) parte de esta luz?
La dirección de la reflexión se rige por la rugosidad de la superficie, no si la superficie está absorbiendo o no. Ambas características de una superficie necesitan ser consideradas al mismo tiempo. Un espejo dorado da un matiz amarillo a los objetos iluminados con una luz blanca, pero la dirección del reflejo viene dada exactamente por la ley del reflejo (como un espejo). El oro ha absorbido algo de luz azul, el resto se refleja como un espejo perfecto. Los objetos de color para los que no puede distinguir los objetos reflejados son reflectores difusos que también absorben algo de luz. Espero estar respondiendo a tu pregunta. Si no... ¡inténtalo de nuevo!
Todavía no, pero todo está bien. Agradezco tu esfuerzo. Entiendo la idea de que la aspereza dispersa la luz en todas las direcciones, por lo que desdibuja la luz y da una apariencia difusa. Y esa aspereza no tiene nada que ver con el color del objeto. Considere mi pregunta de manera diferente entonces: ¿puede un objeto ser reflectante y coloreado al mismo tiempo? entonces parece ser el caso del oro como mencionaste. ¿Significa que un objeto de color difuso es como el oro, refleja longitudes de onda particulares y absorbe otras, solo en muchas direcciones aleatorias (debido a la aspereza)?
Te estás poniendo al día. Sí a tu comentario de espejo dorado (espejo y coloreado), y sí a tu comentario sobre objetos de colores difusos.
Gracias Garip. Dicho esto, hay algo interesante que señalar en la página wiki dedicada a los reflectores difusos. Dice que los objetos son difusos porque la microestructura del objeto dispersa la luz. Entonces, el problema es que si la luz se transmite al otro lado del cristalito de hielo como en el ejemplo, ¿dónde tiene lugar el proceso de absorción? Asumiría que la luz se absorbe a medida que viaja a través de los límites de los cristalitos, sin embargo, entendí que un objeto sólido no podría transmitir luz. ¿Y que un objeto transparente no puede absorber solo transmitir?
Los sólidos ciertamente pueden transmitir luz. Mira por tu ventana. Si puede o no ver objetos claramente a través de un sólido depende de 1.) la absorción y 2.) la dispersión de la microestructura. Un objeto puede absorber parcialmente la luz y, por lo general, absorbe ciertos colores más que otros (por ejemplo, vidrio coloreado). El hecho de que la estructura microcristalina desempeñe o no un papel depende del tamaño de los cristales, y puede obtener una amplia gama de efectos, desde borrosos hasta translúcidos, lechosos y distorsionados. Como antes, los dominios cristalinos y la absorción son fenómenos separados, ambos ocurren y deben considerarse por separado.
Claro, pero la luz se refracta cuando pasa del aire al vidrio y al aire. ¿Se transporta la luz de la misma manera a través de objetos "opacos" entonces? ¿O la refracción solo se aplica al material transparente y, de ser así, cómo se transporta la luz dentro de los materiales opacos?
Interacción luz-materia y apariencia de un objeto
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