El vidrio y la luz
Historia
Los hallazgos más antiguos de vidrio se encuentran entre el año 3.000 y el 2.000 antes de Cristo, y estaban coloreados con óxidos de algunos metales. Se encontraron gran cantidad de piezas de vidrio en tumbas etruscas. Los egipcios fabricaron el vidrio hasta el 1.200 a.C., produjeron un vidrio claro y coloreado de azul y verde. Hacían vasos, amuletos, figuras y cuentas.
En el siglo IX a.C. Siria y Mesopotamia fueron centros productores de vidrio, y la industria se difundió por toda la región del Mediterráneo. Sin embargo, fue en las costas fenicias donde se desarrolló el importante descubrimiento del vidrio soplado en el siglo I a.C. Esta técnica hizo posible la producción a gran escala. El vidrio soplado corresponde al período helenístico y romano. En esta época, Egipto se convirtió en Alejandría, el principal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales, gracias al vidrio manufacturado.
El siglo III encontró a Europa avanzada en la fabricación de una variedad transparente. Cuando cayó el imperio romano, las técnicas artísticas del vidrio detuvieron su avance.
En el año 1.000 el mundo occidental comenzó a renovarse cuando el vidrio se había extendido de Siria al mundo árabe. Más tarde, el uso artístico y las variedades florecieron desde Venecia (siglo XII), en Murano (siglo XIII), con el arte checo (siglo XV), Bohemia y Francia. Recién en el siglo XIX comenzó la industrialización en los productos de vidrio.
Transparencias
Cuando la luz pasa por un cuerpo sin perturbarse demasiado, llamamos a ese cuerpo transparente. Pero, ¿por qué la luz puede atravesar determinadas sustancias y otras no?
La respuesta está en que la luz en sí misma es un fenómeno electromagnético. Los fotones o partículas de luz pueden tratarse como campos electromagnéticos perpetuándose y viajando a una velocidad que depende del medio. Cuando no hay nada, el vacío, alcanzan la velocidad máxima de trescientos mil kilómetros cada segundo. Entonces si el material no trastorna ese campo, el fotón seguirá de largo sin perturbarse y diremos que el objeto es transparente. Pero no existe tal material. Algunos perturban la luz más o menos, y eso depende de dos cosas:
- De la luz misma que llega.
- Del material (que atraviesa o no).
Dependiendo de la cantidad de oscilaciones que el campo electromagnético del fotón realice (a eso se le llama frecuencia), tendrá más o menos energía, y más o menos chance de atravesar determinados materiales. Pero, dependiendo de la frecuencia las radiaciones electromagnéticas (lo que llamamos luz) recibe distintos nombres.
Si las moléculas del material pueden vibrar al son del fotón que llega, se dice que hay resonancia. Si tiene un órgano electrónico en su casa, póngalo a gran volumen y toque una a una las teclas. Notará que algunos objetos vibrarán con determinadas notas. Esto es porque cada cuerpo resuena con una frecuencia natural, inclusive las moléculas. Cuando se produce la resonancia, el material absorbe el fotón y no hay transparencia.
Ejemplos de transparencia:
El grafito es opaco, negro, porque tiene resonancia en todo el espectro visible (luz), pero si los fotones son más energéticos, el grafito no los absorbe. Por esto el grafito es totalmente transparente a los rayos X.
Los metales son también transparentes a los rayos X, pero algunos metales alcalinos son también transparentes al ultravioleta.
Losvidrios tienen moléculas que resuenan en las frecuencias mayores al espectro visible, por ejemplo en el ultravioleta. Se dice que allí tienen una banda de absorción. Si viéramos con luz ultravioleta, los vidrios serían tan opacos como una pared.
El agua está formada por moléculas "gordas", que vibran con más dificultad, por eso para ondas de más baja energía como los infrarrojos o el mismo color rojo, se produce una resonancia y el agua termina absorbiendo esas bandas. Así que a medida que se va uno sumergiendo en un mar transparente, la luz va perdiendo los colores rojos y se va volviendo más azul. A 30 metros de profundidad el rojo desaparece completamente.
La frecuencia de oscilación de los gases incoloros, como en el caso del vidrio, corresponde al ultravioleta, que es mucho mayor que las frecuencias propias de la luz visible, por esa causa nos parecen transparente a los ojos.
Por último un caso curioso. Las ondas de radio pertenecen al espectro electromagnético y por tanto habrá cosas que serán para ellas transparentes y otras no. Si miramos el cielo nocturno vemos las estrellas, porque su luz pasa por la atmósfera, pero ciertas frecuencias de ondas de radio son reflejadas por una capa llamada estratosfera. Allí hay muchos electrones libres que no dan paso libre a algunas ondas de radio.
¿Qué podemos concluir de todo esto?
Que «transparente» es una palabra muy relativa. Tendríamos que preguntarnos antes de usarla: ¿Transparente a qué?
Datos curiosos
El azúcar, el talco, el papel, nos parecen blancos, pero en realidad están compuestos de partículas totalmente transparentes. Las múltiples reflexiones y refracciones en cada partícula dispersa la luz que le llega dándole ese color.
La clara de huevo es transparente, pero al batirla, las pequeñas burbujas de aire dispersan la luz blanca incidente dándole ese color. Pero ni la clara, ni las burbujas son en realidad blancas, sino que ambos son transparentes.
Las nubes están formadas por pequeñas gotas de agua. La luz entra y rebota en ellas dando la sensación de blancura. Eso si la luz alcanza a salir. En nubes muy densas, su propia sombra la hace ver gris u oscura.
La pintura blanca se logra, no con partículas de ese color, sino transparentes. De la misma manera que las múltiples reflexiones en la clara batida, en la nube o en los cristales de azúcar, en la pintura blanca flotan partículas transparentes de óxido de cinc, plomo o titanio suspendidas en acrílico o aceite de linaza (también transparentes). Entonces, si bien todos los componentes son transparentes, es el efecto de dispersión que los hace ver como blancos.
Uso en la ciencia
Infinidad de avances tecnológicos, y por tanto científicos, se deben al desarrollo de objetos construidos con vidrio. Sus propiedades tanto químicas como ópticas permitieron desarrollar numerosos experimentos claves en la historia de la ciencia, como ser el cultivo de microbios en probetas de cuello de cisne realizado por Louis Pasteur, o el tubo de rayos catódicos, comienzo de la física de partículas.
Radiaciones
El fenómeno general, que incluye la luz visible en todos sus colores, los rayos X, etc., recibe el nombre de radiaciones electromagnéticas. Distingue unos fenómenos electromagnéticos de otros, la energía que transportan y a la vez (íntimamente relacionadas) la frecuencia de esa radiación.
La frecuencia mide las oscilaciones del campo electromagnético por segundo. Cuantas más oscilaciones realiza el campo por segundo, más frecuencia asociada tiene. Cuanto más rápido oscile, más energía transporta la radiación.
¿Entonces lo único que distingue la luz roja de los rayos X ó las transmisiones de televisión es la frecuencia? Aunque no lo crea, la respuesta es sí.
Esquema de las principales bandas de radiaciones electromagnéticas
Ejemplos de radiación y su frecuencia:
| Cada objeto refleja parte de la luz que trae, eso le confiere el color. Pero el resto lo absorbe. Si no se deshace del exceso de energía debería aumentar su temperatura |  |
| En ésta termografía (fotografía sensible a la radiación infrarroja) se ve qué sucede con el exceso de energía. Se libera como radiación infrarroja de baja energía |  |
| Si el exceso energético es muy grande el objeto emitirá un refuerzo de radiación roja (de más energía) y así agregará frecuencias cuya suma, en temperaturas altas da el blanco |  |
| Es estudiando la emisión de la luz del Sol que podemos descubrir su temperatura: 5.770 °c en la superficie, 14.000.000 °c en el núcleo |  |
Datos técnicos del vidrio
El vidrio está formado por sílice que tiene disuelto por lo menos dos silicatos, uno alcalino y otro alcalinotérreo.
Vidrio = Sílice + Silicato de sosa + Silicato de sal.
Contienen
Fundantes: Facilitan la fusión de la masa silícea.
Estabilizantes: Aumentan la estabilidad.
Vitrificantes: Por ejemplo la sílice, cuarzo o arena cuarzosa.
1) La fusión dura aproximadamente 10 horas
∘ Primera fase, 1.200 - 1.400 °C
∘ Homogeneización, 100 a 150 grados más que la primera fase
∘ Reposo. Se disminuye lentamente la temperatura
2) Luego se modela
∘ Por soplado
∘ Por colado
∘ Por presión
• Pesos específicos (g/cm³ ó kgf/cm³ a 18 °C)
∘ Vidrio cristal 2,95
∘ Vidrio de botella 2,62
∘ Vidrio de espejo 2,58
∘ Vidrio de ventana 2,50
∘ Vidrio flint 3,52
• Coeficiente de dilatación lineal: 10⁻⁶ l/°C
• Conductividad térmica: 0,002 cal/cm·s·°C
• Calor específico: 0,150 cal/g·°C
• Constante dieléctrica relativa: Vidrio pyrex 4,5
• Indice de refracción (relativo al aire a 18 °C con luz de sodio raya D)
∘ Crown 1,518
∘ Uviol 1,505
∘ Flint liviano LF-1 1,573
∘ Flint denso DF-1 1,605
∘ Flint extra denso EDF-1 1,649
Efecto invernadero
Así como nuestra ropa nos abriga, y retiene nuestro calor corporal, una variedad de gases disueltos en la atmósfera, retienen el calor de nuestro mundo. La luz es un fenómeno electromagnético, que puede darse de variadas formas sin dejar de ser lo mismo; el calor es también "luz", llamado radiación infrarroja; cuando hablamos de ultravioleta, el color azul, microondas o señal de radio, estamos hablando de lo mismo. El vidrio es una sustancia transparente, pero no para todas las variedades de radiación. Por ejemplo ofrece una cierta resistencia al paso del infrarrojo dependiendo del material.
En la tierra, la mayor parte de la luz que llega es visible, en un invernadero de vidrio la luz entra, y calienta el interior; ahora lo que era luz se transformó en calor, pero como el vidrio es opaco al calor radiante, este queda atrapado; por eso se calienta tanto un automóvil cerrado al sol: La luz entra, se transforma en calor, y no puede salir. El vapor de agua de la atmósfera, y principalmente el dióxido de carbono (CO₂) actúan como los vidrios de un invernadero. Sin este abrigo nuestra tierra sería tan fría como los -30 °C en promedio de Marte, que por casi carecer de efecto invernadero sufre una amplitud térmica de 50 °C. Por otro lado, si abrigáramos demasiado la Tierra, podríamos llegar a sufrir los 425 °C de Venus, producidos principalmente por su efecto de invernadero más que por su proximidad al Sol.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).