¿Qué es realmente la luz blanca?

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 dando a entender que la luz blanca es una colección de infinitos fotones de muchas longitudes de onda y el electrón simplemente se la come.

Mi pregunta es qué es exactamente la luz blanca y en qué se diferencia de las monocromáticas. ¿Es una bolsa de infinitos fotones de diferentes longitudes de onda o es un solo fotón? Si es un solo fotón, ¿cómo puede un electrón tomar un fotón de un solo fotón y aún así el fotón continúa con otras longitudes de onda?

Respuestas (6)

Hay cierta 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 ∗ v , dónde h es la constante de planck, v es la frecuencia de la onda electromagnética clásica, la luz, que surge de un gran número de estos fotones. En lo que se refiere al fotón, el término "frecuencia" no tiene otro significado que el de 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 dispersar un electrón y su energía disminuye. La absorción de fotones solo puede ocurrir en dispersiones de fotones con electrones unidos en niveles de energía, en átomos, moléculas y redes. Es todo el átomo el que absorbe el fotón, el electrón cambia los niveles de energía debido a la absorción. Los niveles de energía tienen un ancho, y eso se refleja en la capacidad de los átomos para absorber fotones con una Δ ( mi ) en energía, cuyo ancho está directamente relacionado con la frecuencia de la luz de multitud de fotones.

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

espectro visible

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

color perc

El color percibido en el punto T proviene de una combinación de frecuencias, y muchos pares diferentes dan el mismo color percibido. El blanco en esta trama 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 luz visible, muchas frecuencias podrían componer la percepción del color blanco, lo que significa que fotones de una gran variación de energías componen el color blanco.

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

La figura muestra cómo las frecuencias se combinan para dar la percepción del blanco. Se necesitan muchos fotones para que nuestros ojos puedan percibirlos, pero incluso unos pocos cientos pueden dar una señal al cerebro, este enlace te puede interesar.

o es un solo fotón.

Un solo fotón no puede dar la percepción de blanco.

Espero que esto ayude.

Editar: dado que los comentarios pueden desaparecer si hay demasiados, copio aquí un comentario significativo de @PhysicsTeacher:

pero debe tenerse en cuenta que cuando se habla en general de "luz blanca", a menudo se quiere decir 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 suele ser el de la iluminación, y la iluminación con una combinación de frecuencia extraña y diminuta dará como resultado colores "artificiales" distorsionados en lugar de los colores "reales" (es decir, los colores que se ven a la luz del día). –

Su respuesta me hizo darme cuenta de que todo el alboroto acerca de que el rosa no es un color real (espectral) está (debería) eclipsado por el hecho de que el blanco tampoco lo es.
@Michael, de hecho, todos los colores que puedes ver son reales. Pero existe el concepto de colores "irreales", colores imposibles .
"Un solo fotón no puede dar la percepción del blanco". - Esto no es completamente cierto. Algunas de las células cónicas (de hecho, más de la mitad de la población) en la retina generan percepciones acromáticas, a pesar de tener la sensibilidad espectral habitual, véase, por ejemplo, este artículo .
Gracias por esta muy buena respuesta. Hasta ahora, nunca había entendido ese diagrama de percepción del color.
@anna v, en tu comentario de la figura dices que "La combinación de tres pares como se describe en la figura, da la percepción de blanco". A menos que me falte algo, estos tres pares dan la percepción del color T, que no es blanco sino verde claro...
@Ruslan si leíste el último enlace que di, todavía se está investigando si un fotón puede excitar lo suficiente los conos para dar un destello y mucho menos una percepción de color. El enlace que das habla de "destellos de luz", la luz es cientos de miles de fotones.
Votaría esto dos veces si pudiera. Realmente me ayudó a comprender los fotones y la percepción del color. Dado que trabajo en el campo de la codificación de video, ¡lo último es bastante importante!
Un punto clave es que hay muchas formas de llegar a las blancas. La mayoría de los LED blancos combinan un LED azul con un fósforo amarillo, por lo que ni siquiera necesita los 3 RGB primarios.
@MarkRansom Finalmente creo que eso es lo que muestra la trama para la luz blanca, por eso edité last.time. los trillizos son una cuestión de ilustración.
Lo siento si mi comentario sonó como una crítica, no lo fue, sino que tenía la intención de reforzar su punto. Hay infinitas combinaciones de longitudes de onda que nos parecen "blancas", y los diagramas que usamos para interpretar el color a veces pueden oscurecer ese hecho.
@MarkRansom no se preocupe, estamos de acuerdo :). Recibí un voto negativo durante la noche (me acabo de despertar) y pensé que su comentario estaba relacionado con mi afirmación errónea, antes de editar, de que, como con el punto T en las secciones coloreadas, el blanco también necesitaría tres líneas, luego volví a leer el enlace y vio que dos serían suficientes para la región acromática (blanca).
@Vorbis, vea mi edición, para la región blanca son suficientes dos líneas, lo cual entendí al volver a leer el enlace. La T es para las regiones cromáticas, la E es el centro de la región acromática
Tengo que discrepar contigo, dices que los fotones no tienen masa, solo es cierto si los fotones fueran estáticos, es cierto que no tienen masa en reposo, pero no hay fotones estáticos; Los fotones tienen energía y, según la relatividad, la energía es masa, por lo que la masa de los fotones es E/c^2 y hf/c^2, por pequeña que sea...
@XeнεiΞэnвϵς No tiene razón en sus opiniones, los fotones de la física principal tienen masa cero y obedecen al álgebra de cuatro vectores, su energía es igual al impulso en el marco c = 1 hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Relativ/vec4. html _
Entonces, esta ecuación: E = m * c ^ 2, ¿es incorrecta, ya que los fotones no se ajustan a ella?
es correcto solo en el centro de masa en reposo vrame de una partícula masiva. Las partículas de masa cero no tienen un marco de reposo ya que siempre se mueven con velocidad c. . Una partícula que se mueve con una velocidad cercana a la de la luz muestra una masa inercial de acuerdo con mi − metro C 2 , una masa relativista que es función de la velocidad, por lo que ya no se usa para estudiar partículas. Su único uso real sería que las naves espaciales viajen cerca de la velocidad de la luz para ver cuánto combustible adicional necesitarían para ir más rápido.
Excelente respuesta, pero debe tenerse en cuenta que cuando se habla en general de "luz blanca", a menudo se quiere decir 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 suele ser el de la iluminación, y la iluminación con una combinación de frecuencia extraña y diminuta dará como resultado colores "artificiales" distorsionados en lugar de los colores "reales" (es decir, los colores que se ven a la luz del día).
@PhysicsTeacher, el concepto del que estás hablando se llama metamerismo . Los fabricantes de bombillas tienen una medida llamada CRI que intenta cuantificar el efecto, pero no es perfecta. Insisto en usar bombillas incandescentes para iluminar las imágenes de los productos porque generan luz blanca verdadera, aunque cada vez es más difícil encontrarlas.

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

ingrese la descripción de la imagen aquí

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 ningún punto en el espectro que puedas etiquetar como "blanco". El blanco es una mezcla de colores tal que nuestros ojos y nuestro cerebro no pueden distinguir cuál de los dos, rojo, verde o azul, es el ganador.

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

No hay ningún punto en el espectro que puedas etiquetar como blanco. El blanco es percibido como un color blanco por nuestro cerebro, compuesto por una combinación de diferentes colores, que los receptores de nuestros ojos perciben. Se cree comúnmente que hay tres tipos diferentes de conos para rojo, verde y azul. En realidad, estos conos detectan fotones de longitud de onda corta (con un pico de 445 nm, lo llamamos azul), de rango medio (con un pico de 535 nm, lo llamamos verde) y de longitud de onda larga (con un pico de 575 nm, lo llamamos rojo).

Estos receptores tienen un rango de sensibilidad que alcanza su punto máximo en esas longitudes de onda, pero son sensibles en casi todo el espectro visible.

ingrese la descripción de la imagen aquí

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

Sí, un fotón por sí mismo puede estar en una superposición cuántica de diferentes frecuencias, lo que se podría llamar "blanco". No, tal fotón probablemente no pueda ser producido por un proceso natural simple. No, tal fotón no se vería blanco, porque la superposición colapsa con la medición, dando solo una frecuencia. (Solo una de sus células cónicas podría dispararse en respuesta, suponiendo que se dispare en absoluto). Sin embargo, una colección de muchos de estos fotones se vería colectivamente blanca.

¿Existe un único fotón blanco?

Ahora estás preguntando por un solo fotón, pero un solo fotón no puede crear la percepción del blanco, porque necesitas múltiples fotones, con ciertas longitudes de onda diferentes para poder crear la percepción del blanco en nuestro cerebro. Tenga en cuenta que, sin embargo, un solo fotón es una entidad QM, y es posible que un solo fotón esté en una superposición de estados, por lo que podría interpretarse como una combinación de colores que podría crear blanco, pero como el único el fotón interactúa con los conos del ojo, su superposición colapsa en un estado propio con una sola longitud de onda y, por lo tanto, no puede crear la percepción del blanco.

Bonitos gráficos sobre la sensibilidad de los ojos. ¿De dónde es?
@aschepler gracias edité.
Gracias por señalar la importancia de la percepción. Es interesante señalar la extrema flexibilidad que tiene nuestro cerebro para adaptar la percepción del blanco. Si observa una hoja de papel blanca en un día nublado y bajo la luz de una vela, la percibirá como blanca en ambos casos, aunque la salida espectral será muy diferente.
@MarkRansom Me alegro de haber podido ayudar.

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 parecer 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 realmente parece estar haciendo: "¿Puede un fotón ser 'blanco' o debe ser solo una 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 que tienen un ancho espectral muy grande, abarcando todo el espectro visible. Si se mide la longitud de onda de cualquiera de esos fotones, por supuesto que sólo 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.

¿Cuáles son los anchos espectrales de los fotones emitidos por el Sol? ¿Son en su mayoría fotones de banda estrecha de frecuencias mixtas o fotones "blancos" homogéneos de banda ancha?
@Prof.Legolasov que esto respondahttps://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight#Composition_and_power
@Prof.Legolasov Desafortunadamente, no es posible medir el ancho espectral de un solo fotón del Sol o de cualquier otra fuente. Los anchos espectrales de las funciones de onda de una gran cantidad de fotones producidos de manera idéntica a partir de una fuente se pueden determinar estadísticamente.
@S.McGrew Me resulta difícil creer que una medición sea imposible en principio para la luz solar. Incluso si es imposible en la práctica, deberíamos poder predecir esto usando astrofísica.
@Prof.Legolasov La luz que recibimos del Sol es principalmente radiación de cuerpo negro, y la radiación de cuerpo negro no es un montón de fotones "blancos". Tal distribución tendría una entropía baja, ya que todos los fotones estarían en el mismo estado cuántico, mientras que la radiación de cuerpo negro tiene una entropía alta.
@BrianBi aún, debe haber una manera de caracterizar los anchos de fotones individuales, o al menos la distribución de anchos
@Prof.Legolasov Creo que hay personas en este sitio que conocen las propiedades de la radiación de cuerpo negro. No sé nada más que lo que dije en mi comentario anterior. Tu pregunta recibirá más atención si la publicas como una pregunta nueva.
Me atrevería a decir que "cualquier fotón tiene un ancho espectral finito" es, si no solo incorrecto, al menos más confuso que útil. Los fotones no contienen la información de cómo fueron creados en ningún sentido significativo (medible). Son solo excitaciones del campo EM. La incertidumbre espectral proviene de ciertas propiedades del sistema completo bajo consideración, no de nada sobre los fotones individuales.
@leftaroundabout, mi afirmación fue que *la función de onda de cualquier fotón tiene un ancho espectral finito", no que el fotón en sí lo tenga (a menos que "fotón" se refiera a la función de onda del fotón). Hay toda una conversación fascinante y esclarecedora. este concepto. Si lo desea, podemos continuar en el chat.
La forma más popular de expresar el concepto de fotón es que es la excitación de un modo EM. Esto implica frecuencia única. Soy consciente de que hay expresiones de fotones que permiten una distribución de frecuencias, pero no se usan comúnmente y no son tan útiles como la expresión de frecuencia única.
Es bastante fácil configurar un experimento que muestre que los fotones tienen un ancho espectral finito, como hacer una interferometría de un solo fotón en la que se varían las longitudes de camino relativas. Por ejemplo, si la función de onda de un solo fotón es monocromática, su extensión espacial a lo largo de su trayectoria debe ser infinita, pero de hecho el experimento simplemente producirá un resultado que refleja la coherencia temporal (que es esencialmente la inversa del ancho de banda) de la fuente .
@garyp Una base preferida entonces, ¿eh? Para mí, una sola excitación significa a+ aplicado al vacío, y ese a+ puede ser cualquier combinación lineal no trivial de un número arbitrario de otros operadores de creación. De hecho, son las excitaciones monocromáticas las que no pueden existir, ¡porque no son normalizables!
@TheVee Entonces mi = h v ¯ ? como puedo a + entregar la fracción de energía necesaria para compensar la energía del fotón? Cuando la luz blanca interactúa con un átomo aislado, ¿qué sucede? uno en particular a − opera, el de la energía de transición? Lo que sucede con todos los otros modos. Si está considerando un conjunto, podría entenderlo mejor. lo tengo en la cabeza que a + aumenta la excitación de un modo por h v , y un modo es monocromático por definición. No deberíamos discutirlo aquí, pero si me puede indicar un recurso, se lo agradecería.
Tenga en cuenta que la función de onda representa una distribución de probabilidad. Si un detector (p. ej., un átomo) se encuentra en la trayectoria de una función de onda de amplio espectro, y el detector solo es sensible a un rango de frecuencia muy estrecho, la probabilidad de que detecte el fotón depende de la fracción del espectro de la función de onda que cae dentro de ese rango.
@garyp E es un observable. Vendrá con una distribución de probabilidad. Lo mismo ocurre con cualquier otro observable en la mecánica cuántica, pero a diferencia de muchos otros ejemplos, E no tiene un espectro discreto, por lo que en realidad nunca puede tener un valor exacto (vectores propios). En la interacción con la materia, por ejemplo, la absorción, puede ocurrir un colapso de la función de onda, por lo que aparentemente se puede observar una energía "exacta", pero nada impide que tenga estadísticas arbitrariamente amplias, como bien resumido por el comentario de S. McGrew debajo del mío.
Realmente, no es nada que no se diga en ningún libro de texto de QM, si acepta la opinión de que mi = ħ ω es una relación entre observables en lugar de números clásicos.

Hay un poco de definición o problema situacional aquí. La luz blanca PUEDE ser una distribución uniforme de frecuencias visibles, pero puede que no. Desde una perspectiva perceptiva, 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 "blanca".

A diferencia de las otras respuestas, esta mezcla no tiene que ser una mezcla uniforme de frecuencias. Si tiene una buena* lupa a mano, mire un área blanca en la pantalla de su computadora. Verá que está compuesto de pequeños puntos rojos, verdes y azules, sin ninguno de los otros colores espectrales.

También es una cuestión de percepción. Si alguna vez ha tomado fotografías de un paisaje nevado cerca de la puesta del sol, probablemente haya notado que lo que ve como nieve blanca, la cámara lo ve como un color naranja rojizo. El cerebro ajusta (dentro de los límites) lo que ves a lo que esperas ver: nieve blanca.

*Tiene que ser uno bueno, o una pantalla de paso de punto bajo más antigua. Con mi pantalla y mi lupa de escritorio, apenas es posible distinguir los puntos.

Me atrevo a decir que el significado físico de "luz blanca" requiere todas las frecuencias.
@ user253751: Pero eso es solo una abreviatura lingüística para "distribuido uniformemente en todas las frecuencias (¿visibles?)". De hecho, si consideramos la luz del sol como luz blanca, no se distribuye uniformemente en el rango de luz visible, siendo bastante más intensa en el azul que en el rojo: fondriest.com/environmental-measurements/parameters/weather/…
De hecho, es suficiente tener dos líneas espectrales (y nada más) en el espectro para ver la luz blanca. P.ej 571 norte metro y 460 norte metro (o cerca de estos) en proporciones apropiadas.
@Ruslan: Interesante. Hubiera pensado que se necesitarían al menos tres, uno para cada tipo de celda cónica. Aunque si la luz es lo suficientemente tenue como para activar solo las varillas, siempre se percibe como blanca. Lo que demuestra que la física y la percepción son bastante diferentes.
Basta con mirar el diagrama de cromaticidad. Elija un punto blanco (por ejemplo, D65, como para sRGB) y dibuje una línea recta a través de él, tratando de no cruzar la línea de púrpuras (todavía tendrá algo de espacio para elegir la pendiente). Obtendrá dos intersecciones de esta línea con el límite de la gama, que son las dos longitudes de onda que necesita para lograr el punto blanco elegido. Entonces solo es cuestión de sopesar las potencias de las fuentes de luz para mover la mezcla a lo largo de la línea hasta lograr el punto blanco.
@Ruslan, es posible que le interese saber cómo funcionan la mayoría de los LED blancos. Un LED azul está recubierto con un fósforo que absorbe parte del azul y emite amarillo. Ahora, el amarillo no es una frecuencia única, pero está equilibrado para complementar al azul. Y las diferentes formulaciones darán diferentes puntos blancos, razón por la cual hay LED blancos cálidos y fríos.
@MarkRansom sí, lo sé bastante bien, gracias :)

La luz blanca puede resultar de la combinación de diferentes fuentes monocromáticas, como las que se utilizan 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 algún efecto sensorial, ya que el movimiento real se simula mediante secuencias de imágenes en las películas.

La luz del sol resulta de un movimiento caótico de cargas de H y He ionizados en la superficie del sol. Ese plano de ondas electromagnéticas que llegan a tierra produce en nuestros ojos una sensación "blanca".

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

Su principal confusión parece ser si la "blancura" es una propiedad de un fotón en particular o de una colección de ellos, y la respuesta a esa pregunta es que es una propiedad de una colección de fotones. Sin embargo, contrasta un solo fotón con un número infinito de fotones. Si bien la cantidad de fotones emitidos por una fuente de luz típica es enorme (por ejemplo, en un segundo, una bombilla típica emitirá más de mil millones de fotones que personas en la Tierra), no es infinito.

En cuanto al título literal de su pregunta, que la luz sea "blanca" es más una cuestión biológica que física. Cuando la luz se describe como "blanca", se refiere a que tiene una distribución de longitudes de onda que los humanos perciben como "blanca". Y la percepción humana de "blanco" depende del contexto; el cerebro humano en realidad tiene una tendencia a "normalizar" la luz ambiental a blanca, de modo que podrá reconocer que el mismo objeto tiene el "mismo" color independientemente de la fuente de luz. La luz "blanca" generalmente se referirá a una distribución de luz "uniforme", pero la definición exacta de "uniforme" varía según el contexto. Cuando se trata de fuentes de luz que pueden modelarse razonablemente como radiación de cuerpo negro, "blanco" a menudo se define como correspondiente a un rango de temperatura particular. (Puede parecer extraño decir que la luz blanca es luz que proviene de la radiación del cuerpo negro, pero eso es una cuestión diferente).

¿Qué es realmente la luz blanca?
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