2.1: Las propiedades de la luz

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Objetivos de aprendizaje

Identificar y definir las características de la radiación electromagnética (EMR) utilizada en microscopía
Explicar cómo se utilizan las lentes en microscopía para manipular la luz visible y ultravioleta (UV)

Enfoque Clínico: Parte I

Cindy, una consejera de 17 años en un campamento deportivo de verano, se rascó la rodilla jugando básquetbol hace 2 semanas. En su momento, pensó que era sólo una abrasión menor la que sanaría, como muchos otros antes de ella. En cambio, la herida comenzó a parecer una picadura de insecto y ha seguido haciéndose cada vez más dolorosa e hinchada.

La enfermera del campamento examina la lesión y observa una gran cantidad de pus que rezuma de la superficie. Preocupada de que Cindy pudiera haber desarrollado una infección potencialmente agresiva, hisopo la herida para recolectar una muestra del sitio de la infección. Después limpia el pus y viste la herida, instruyendo a Cindy para que mantenga limpia la zona y vuelva al día siguiente. Cuando Cindy se va, la enfermera envía la muestra al laboratorio médico más cercano para ser analizada bajo un microscopio.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cuáles son algunas cosas que podemos aprender sobre estas bacterias al mirarlas bajo un microscopio?

La luz visible consiste en ondas electromagnéticas que se comportan como otras ondas. De ahí que muchas de las propiedades de la luz que son relevantes para la microscopía se puedan entender en términos del comportamiento de la luz como onda. Una propiedad importante de las ondas de luz es la longitud de onda, o la distancia entre un pico de una onda y el siguiente pico. La altura de cada pico (o profundidad de cada valle) se denomina amplitud. En contraste, la frecuencia de la onda es la tasa de vibración de la onda, o el número de longitudes de onda dentro de un período de tiempo especificado (Figura\(\PageIndex{1}\)).

La figura a muestra una línea ondulada con ondas uniformemente repetitivas hacia arriba y hacia abajo. Una línea recta a través del centro de la línea ondulada indica la base de las olas. La distancia desde el pico de una onda a otra es la longitud de onda. La distancia desde la línea base hasta el pico de una onda o la distancia desde la línea base hasta el valle de una onda se llama amplitud. La Figura b muestra tres ondas con unidad de tiempo etiquetadas en la parte inferior. La línea superior tiene olas que están ampliamente dispersas. Las ondas con una amplia longitud de onda tienen una baja frecuencia. El resultado final tiene olas que están muy juntas. Las ondas con una longitud de onda estrecha tienen una alta frecuencia. La línea media tiene una longitud de onda media y por lo tanto una frecuencia media. — Figura\(\PageIndex{1}\): (a) La amplitud es la altura de una onda, mientras que la longitud de onda es la distancia entre un pico y el siguiente. (b) Estas ondas tienen diferentes frecuencias, o tasas de vibración. La onda en la parte superior tiene la frecuencia más baja, ya que tiene la menor cantidad de picos por unidad de tiempo. La onda en la parte inferior tiene la frecuencia más alta.

Interacciones de la Luz

Las ondas de luz interactúan con los materiales al ser reflejadas, absorbidas o transmitidas. La reflexión ocurre cuando una ola rebota en un material. Por ejemplo, una pieza de tela roja puede reflejar la luz roja en nuestros ojos mientras absorbe otros colores de luz. Absorbanceocurre cuando un material captura la energía de una onda de luz. En el caso de los plásticos que brillan en la oscuridad, la energía de la luz puede ser absorbida y luego reemitida como otra forma de fosforescencia. La transmisión ocurre cuando una onda viaja a través de un material, como la luz a través del vidrio (el proceso de transmisión se llama transmitancia). Cuando un material permite transmitir una gran proporción de luz, puede hacerlo porque es más delgado, o más transparente (teniendo más transparencia y menos opacidad). La figura\(\PageIndex{2}\) ilustra la diferencia entre transparencia y opacidad.

La figura a muestra las puntas de las manos enguantadas de una persona sosteniendo un plato transparente con tapa. El plato contiene un material rojizo en la parte inferior de la placa. La figura b muestra una pieza de metal en las manos de una persona. El material es oscuro con algunas regiones brillantes. — Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Una placa de Petri está hecha de plástico o vidrio transparente, lo que permite la transmisión de una alta proporción de luz. Esta transparencia nos permite ver a través de los lados del platillo para ver el contenido. (b) Esta rodaja de un meteorito de hierro es opaca (es decir, tiene opacidad). La luz no se transmite a través del material, haciendo imposible ver la parte de la mano cubierta por el objeto. (crédito a: modificación de obra de Umberto Salvagnin; crédito b: modificación de obra por “Waifer X” /Flickr)

Las ondas de luz también pueden interactuar entre sí por interferencia, creando patrones complejos de movimiento. Dejar caer dos guijarros en un charco hace que las olas en la superficie del charco interactúen, creando patrones de interferencia complejos. Las ondas de luz pueden interactuar de la misma manera.

Además de interferir entre sí, las ondas de luz también pueden interactuar con objetos pequeños o aberturas doblándose o dispersándose. Esto se llama difracción. La difracción es mayor cuando el objeto es menor en relación con la longitud de onda de la luz (la distancia entre dos picos consecutivos de una onda de luz). A menudo, cuando las olas se difractan en diferentes direcciones alrededor de un obstáculo o apertura, interferirán entre sí.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Si una onda de luz tiene una longitud de onda larga, ¿es probable que tenga una frecuencia baja o alta?
Si un objeto es transparente, ¿refleja, absorbe o transmite luz?

Lentes y Refracción

En el contexto de la microscopía, la refracción es quizás el comportamiento más importante que exhiben las ondas de luz. La refracción ocurre cuando las ondas de luz cambian de dirección a medida que ingresan a un nuevo medio (Figura\(\PageIndex{3}\)). Diferentes materiales transparentes transmiten la luz a diferentes velocidades; así, la luz puede cambiar de velocidad al pasar de un material a otro. Este cambio en la velocidad generalmente también provoca un cambio de dirección (refracción), con el grado de cambio dependiente del ángulo de la luz entrante.

La imagen a muestra un haz de luz dirigido a un trozo de vidrio. Cuando el haz de luz golpea el material de vidrio transparente, se dobla aproximadamente 45°. Este rayo de luz doblado es el rayo refractado. El material opaco sobre el que se asienta el vidrio no tiene ninguna luz que brile a través de él. El diagrama b muestra una flecha marcada como rayo incidente apuntando a un ángulo de 45° hacia una región sombreada. En el punto donde el rayo incidente llega a la región sombreada, comienzan otras dos flechas. Una de estas flechas apunta a un ángulo de 90° con respecto al rayo incidente (y lejos de la región sombreada) y es el rayo reflejado. La segunda flecha continúa a través de la región sombreada pero en un ángulo ligeramente doblado desde el rayo incidente. Esta segunda flecha es el rayo reflejado. — Figura\(\PageIndex{3}\): (a) La refracción ocurre cuando la luz pasa de un medio, como el aire, a otro, como el vidrio, cambiando la dirección de los rayos de luz. b) Como se muestra en este diagrama, los rayos de luz que pasan de un medio a otro pueden ser refractados o reflejados. (crédito a: modificación de obra por “ajizai” /Wikimedia Commons).

La medida en que un material ralentiza la velocidad de transmisión en relación con el espacio vacío se denomina índice de refracción de ese material. Grandes diferencias entre los índices de refracción de dos materiales resultarán en una gran cantidad de refracción cuando la luz pasa de un material a otro. Por ejemplo, la luz se mueve mucho más lentamente a través del agua que a través del aire, por lo que la luz que ingresa al agua del aire puede cambiar de dirección Decimos que el agua tiene un índice de refracción mayor que el aire (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Una foto muestra un poste colocado en el agua. El poste parece que se dobla donde golpea el agua. — Figura\(\PageIndex{4}\): Este poste recto parece doblarse en ángulo a medida que ingresa al agua. Esta ilusión óptica se debe a la gran diferencia entre los índices de refracción del aire y el agua.

Cuando la luz cruza un límite hacia un material con un índice de refracción más alto, su dirección gira para estar más cerca de perpendicular al límite (es decir, más hacia una normal a ese límite; Figura\(\PageIndex{5}\)). Este es el principio detrás de las lentes. Podemos pensar en una lente como un objeto con un límite curvo (o una colección de prismas) que recoge toda la luz que la golpea y la refracta para que todo se encuentre en un solo punto llamado punto de imagen (foco). Una lente convexa se puede usar para magnificar porque puede enfocar a un rango más cercano que el ojo humano, produciendo una imagen más grande. Las lentes cóncavas y espejos también se pueden usar en microscopios para redirigir la trayectoria de la luz. La figura\(\PageIndex{5}\) muestra el punto focal (el punto de imagen cuando la luz que entra en la lente es paralela) y la distancia focal (la distancia al punto focal) para lentes convexas y cóncavas.

El diagrama a (prisma) muestra una pirámide clara con luz entrando en una superficie. La luz que sale de la otra superficie está doblada y es la luz refractada. Una línea punteada indica la trayectoria que habría tomado el haz de luz original de no haberse doblado. La región por encima de la línea punteada está etiquetada con alto índice de refracción; la región por debajo de la línea se etiqueta con bajo índice El diagrama b (lente convexa) muestra una lente con una protuberancia en el centro. La luz entra a cada lado de la cúpula y se enfoca a un punto más allá de la lente y en línea con el centro de la cúpula. El punto en el que se enfoca la luz es el punto focal; la distancia desde el punto focal al centro de la lente es la distancia focal. El diagrama c (lente cóncava) muestra una lente que se curva hacia adentro en cada lado. La luz que entra en esta lente se dobla hacia afuera, alejándose del centro de la curva de la lente. Una línea punteada muestra la trayectoria lineal hacia atrás para cada uno de los haces de luz doblados. El punto en el que se encuentran todas las líneas punteadas (que está en el otro lado de la lente) es el punto focal. — Figura\(\PageIndex{5}\): (a) Una lente es como una colección de prismas, como la que se muestra aquí. (b) Cuando la luz pasa a través de una lente convexa, se refracta hacia un punto focal en el otro lado de la lente. La distancia focal es la distancia al punto focal. (c) La luz que pasa a través de una lente cóncava se refracta lejos de un punto focal frente a la lente.

El ojo humano contiene una lente que nos permite ver imágenes. Esta lente enfoca la luz que se refleja de los objetos frente al ojo sobre la superficie de la retina, que es como una pantalla en la parte posterior del ojo. Las lentes artificiales colocadas frente al ojo (lentes de contacto, lentes o lentes microscópicas) enfocan la luz antes de que sea enfocada (nuevamente) por la lente del ojo, manipulando la imagen que termina en la retina (por ejemplo, haciéndola parecer más grande).

Las imágenes se manipulan comúnmente controlando las distancias entre el objeto, la lente y la pantalla, así como la curvatura de la lente. Por ejemplo, para una determinada cantidad de curvatura, cuando un objeto está más cerca de la lente, los puntos focales están más lejos de la lente. Como resultado, muchas veces es necesario manipular estas distancias para crear una imagen enfocada en una pantalla. Del mismo modo, una mayor curvatura crea puntos de imagen más cercanos a la lente y una imagen más grande cuando la imagen está enfocada. Esta propiedad a menudo se describe en términos de la distancia focal, o distancia al punto focal.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Explica cómo una lente enfoca la luz en el punto de la imagen.
Nombra algunos factores que afectan la distancia focal de una lente.

Espectro Electromagnético y Color

La luz visible es solo una forma de radiación electromagnética (EMR), un tipo de energía que está a nuestro alrededor. Otras formas de EMR incluyen microondas, rayos X y ondas de radio, entre otras. Los diferentes tipos de EMR caen sobre el espectro electromagnético, el cual se define en términos de longitud de onda y frecuencia. El espectro de luz visible ocupa un rango relativamente pequeño de frecuencias entre la luz infrarroja y ultravioleta (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Una serie de escalas indican que la imagen muestra la longitud de onda más baja (10 superíndice -18 m) a la izquierda y la longitud de onda más alta (10 superíndice 6 m) a la derecha. Las frecuencias van desde más de 10 superíndices 24 Hzon a la izquierda hasta 1 Hz a la derecha. Las energías van desde 10 superíndices 12 ev a la izquierda hasta 10 superíndices -12 a la derecha. Los tipos de radiación enumerados anteriormente de estas escalas (de izquierda a derecha) son: radiación cósmica, rayos gamma, rayos X, ultravioleta, visible, infrarroja, radiación de Terahercios, radar, radiodifusión de televisión y radiones, y circuitos de CA. La porción de luz visible del espectro se extrae y muestra luz azul a 400 nm, luz verde a 500 nm, luz amarilla a 600 nm y luz roja a 700 nm. — Figura\(\PageIndex{6}\): El espectro electromagnético va desde rayos gamma de alta frecuencia hasta ondas de radio de baja frecuencia. La luz visible es el rango relativamente pequeño de frecuencias electromagnéticas que pueden ser detectadas por el ojo humano. En el espectro electromagnético, la luz visible cae entre la luz ultravioleta e infrarroja. (crédito: modificación de obra de Johannes Ahlmann).

Mientras que la longitud de onda representa la distancia entre picos adyacentes de una onda de luz, la frecuencia, en una definición simplificada, representa la tasa de oscilación. Las ondas con frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, tienen más oscilaciones por unidad de tiempo que las ondas de menor frecuencia. Las ondas de frecuencia más alta también contienen más energía que las ondas de menor frecuencia. Esta energía se entrega como partículas elementales llamadas fotones. Las ondas de frecuencia más alta entregan fotones más energéticos que las ondas de menor frecuencia.

Los fotones con diferentes energías interactúan de manera diferente con la retina. En el espectro de luz visible, cada color corresponde a una frecuencia y longitud de onda particulares (Figura\(\PageIndex{6}\)) .La frecuencia más baja de luz visible aparece como el color rojo, mientras que la más alta aparece como el color violeta. Cuando la retina recibe luz visible de muchas frecuencias diferentes, la percibimos como luz blanca. Sin embargo, la luz blanca se puede separar en sus colores componentes usando refracción. Si pasamos luz blanca a través de un prisma, diferentes colores serán refractados en diferentes direcciones, creando un espectro similar al arco iris en una pantalla detrás del prisma. Esta separación de colores se llama dispersión, y se produce porque, para un material dado, el índice de refracción es diferente para diferentes frecuencias de luz.

Ciertos materiales pueden refractar formas no visibles de EMR y, en efecto, transformarlas en luz visible. Ciertos tintes fluorescentes, por ejemplo, absorben la luz ultravioleta o azul y luego utilizan la energía para emitir fotones de un color diferente, emitiendo luz en lugar de simplemente vibrar. Esto ocurre porque la absorción de energía hace que los electrones salten a estados de mayor energía, después de lo cual luego casi inmediatamente vuelven a caer a sus estados terrestres, emitiendo cantidades específicas de energía como fotones. No toda la energía se emite en un fotón dado, por lo que los fotones emitidos serán de menor energía y, por lo tanto, de menor frecuencia que los absorbidos. Así, un tinte como el rojo Texas puede ser excitado por la luz azul, pero emitir luz roja; o un tinte como el isotiocianato de fluoresceína (FITC) puede absorber (invisible) luz ultravioleta de alta energía y emitir luz verde (Figura\(\PageIndex{7}\)). En algunos materiales, los fotones pueden emitirse tras un retraso tras la absorción; en este caso, el proceso se denomina fosforescencia. El plástico que brilla en la oscuridad funciona mediante el uso de material fosforescente.

Una imagen muestra una celda grande en primer plano y otras celdas más adelante en el fondo. Cada celda tiene una forma irregular con un gran círculo azul en el centro. Las líneas verdes rodean el círculo azul y se extienden hacia los bordes de la celda. El resto de la celda es de color rojo con un borde rojo brillante. El fondo de la imagen es negro. — Figura\(\PageIndex{7}\): Los colorantes fluorescentes absorbidos por estas células endoteliales de la arteria pulmonar bovina emiten colores brillantes cuando se excitan con luz ultravioleta bajo un microscopio de fluorescencia. Diversas estructuras celulares absorben diferentes tintes. Los núcleos se tiñen de azul con 4',6-diamidino-2-fenilindol (DAPI); los microtúbulos están marcados de verde por un anticuerpo unido a FITC; y los filamentos de actina se marcan de color rojo con faloidina unida a tetrametilrodamina (TRITC).

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

¿Cuál tiene una frecuencia mayor: luz roja o luz verde?
Explique por qué ocurre la dispersión cuando la luz blanca pasa por un prisma.
¿Por qué los tintes fluorescentes emiten un color de luz diferente al que absorben?

Ampliación, resolución y contraste

Los microscopios magnifican las imágenes y utilizan las propiedades de la luz para crear imágenes útiles de objetos pequeños. La ampliación se define como la capacidad de una lente para agrandar la imagen de un objeto en comparación con el objeto real. Por ejemplo, una ampliación de 10significa que la imagen aparece 10 veces el tamaño del objeto tal como se ve a simple vista.

Una mayor ampliación generalmente mejora nuestra capacidad para ver detalles de objetos pequeños, pero la ampliación por sí sola no es suficiente para hacer las imágenes más útiles. A menudo es útil para mejorar la resolución de los objetos: la capacidad de decir que dos puntos separados u objetos están separados. Una imagen de baja resolución aparece borrosa, mientras que una imagen de alta resolución aparece nítida. Dos factores afectan la resolución. El primero es la longitud de onda. Las longitudes de onda más cortas son capaces de resolver objetos más pequeños; así, un microscopio electrónico tiene una resolución mucho mayor que un microscopio óptico, ya que utiliza un haz de electrones con una longitud de onda muy corta, a diferencia de la luz visible de longitud de onda larga utilizada por un microscopio óptico. El segundo factor que afecta a la resolución es la apertura numérica, que es una medida de la capacidad de una lente para captar luz. Cuanto mayor sea la apertura numérica, mejor será la resolución.

Incluso cuando un microscopio tiene alta resolución, puede ser difícil distinguir estructuras pequeñas en muchos especímenes porque los microorganismos son relativamente transparentes. A menudo es necesario aumentar el contraste para detectar diferentes estructuras en un espécimen. Varios tipos de microscopios utilizan diferentes características de luz o electrones para aumentar las diferencias de contraste visibles entre las partes de un espécimen (ver Instrumentos de Microscopía). Adicionalmente, los tintes que se unen a algunas estructuras pero no a otras pueden usarse para mejorar el contraste entre imágenes de objetos relativamente transparentes (ver Tinción de especímenes microscópicos).

Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

Explicar la diferencia entre aumento y resolución.
Explicar la diferencia entre resolución y contraste.
Nombrar dos factores que afecten la resolución.

Conceptos clave y resumen

Las ondas de luz que interactúan con los materiales pueden reflejarse, absorberse o transmitirse, dependiendo de las propiedades del material.
Las ondas de luz pueden interactuar entre sí (interferencia) o ser distorsionadas por interacciones con objetos pequeños o aberturas (difracción).
La refracción ocurre cuando las ondas de luz cambian de velocidad y dirección a medida que pasan de un medio a otro. Las diferencias en los índices de refracción de dos materiales determinan la magnitud de los cambios direccionales cuando la luz pasa de uno a otro.
Una lente es un medio con una superficie curva que refracta y enfoca la luz para producir una imagen.
La luz visible forma parte del espectro electromagnético; las ondas de luz de diferentes frecuencias y longitudes de onda son distinguidas como colores por el ojo humano.
Un prisma puede separar los colores de la luz blanca (dispersión) porque las diferentes frecuencias de luz tienen diferentes índices de refracción para un material dado.
Los tintes fluorescentes y los materiales fosforescentes pueden transformar eficazmente la radiación electromagnética no visible en luz visible.
La potencia de un microscopio se puede describir en términos de su ampliación y resolución.
La resolución se puede aumentar acortando la longitud de onda, aumentando la apertura numérica de la lente o usando manchas que mejoran el contraste.

Glosario

absorbancia: cuando una molécula captura energía de un fotón y vibra o se estira, usando la energía

amplitud: la altura de una ola

contraste: diferencias visibles entre partes de un espécimen microscópico

difracción: el cambio de dirección (flexión o extensión) que ocurre cuando una onda de luz interactúa con una abertura o barrera

dispersión: la separación de luz de diferentes frecuencias debido a diferentes grados de refracción

fluorescente: la capacidad de ciertos materiales para absorber energía y luego liberar inmediatamente esa energía en forma de luz

distancia focal: la distancia desde la lente hasta el punto de imagen cuando el objeto está a una distancia definida de la lente (esta es también la distancia al punto focal)

punto focal: una propiedad de la lente; el punto de imagen cuando la luz que entra en la lente es paralela (es decir, el objeto está a una distancia infinita de la lente)

frecuencia: la tasa de vibración para una onda de luz u otra onda electromagnética

punto de imagen (foco): una propiedad de la lente y la distancia del objeto a la lente; el punto en el que una imagen está enfocada (el punto de imagen a menudo se llama foco)
interferencia: distorsión de una onda de luz debido a la interacción con otra onda
magnificación: el poder de un microscopio (o lente) para producir una imagen que parece más grande que la muestra real, expresada como un factor del tamaño real
apertura numérica: una medida de la capacidad de una lente para recoger luz
opacidad: la propiedad de absorber o bloquear la luz
fosforescencia: la capacidad de ciertos materiales para absorber energía y luego liberar esa energía como luz después de un retraso
reflexión: cuando la luz rebota de una superficie
refracción: flexión de las ondas de luz, que ocurre cuando una onda de luz pasa de un medio a otro
índice de refracción: una medida de la magnitud de la ralentización de las ondas de luz por un medio particular
resolución: la capacidad de distinguir entre dos puntos en una imagen
transmitancia: la cantidad de luz que pasa a través de un medio
transparencia: la propiedad de permitir que la luz pase
longitud de onda: la distancia entre un pico de una ola y el siguiente pico