La luz y su interacción con la cerámica

Las interacciones de la cerámica con la luz son las mismas que ocurren con cualquier otro material, y debido a la gran variedad de productos cerámicos,  podemos encontrar ejemplos de prácticamente  todos los fenómenos físicos y químicos que la luz puede producir.

La luz es una radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano cuando su longitud de onda  (la distancia que recorre una perturbación de la onda en un ciclo) está en el rango del espectro visible, es decir longitudes de onda entre 380 y 750 nm. Dentro del espectro visible, cada longitud de onda de la luz, y por tanto cada frecuencia, es percibida por el ojo como un color.

Las ondas electromagnéticas se propagan a una velocidad, que alcanza los 300.000 km/seg en el vacío, siendo esa velocidad menor en otros medios. La velocidad de propagación en el vacío se conoce como “c”.

Todas las ondas electromagnéticas son perturbaciones debidas a la propagación de un campo eléctrico y un campo magnético, perpendiculares entre sí. Siempre existen ambos campos perpendiculares, pero en muchas explicaciones (y dibujos o gráficos) de los distintos fenómenos que produce la luz tan solo se habla del campo eléctrico por simplificar.

Dentro de todo el espectro de ondas electromagnéticas hay un pequeño grupo que ven nuestros ojos al que llamamos espectro de luz visible. Dentro del espectro de luz visible que va desde aproximadamente 380 nm hasta 750 nm, cada longitud de onda la percibimos como un color distinto. Cuando el ojo recibe todas las longitudes de onda del espectro visible a la vez se percibe como “color” blanco, aunque realmente el blanco no sea un color. Cuando el ojo humano no percibe ninguna longitud de onda del espectro visible se percibe como “color” negro, que realmente tampoco es un color. El color gris se percibe cuando el blanco tiene poca intensidad.

Las ondas electromagnéticas se propagan en todas las direcciones, de forma que el frente de onda, siempre que no haya obstáculos,  es una esfera que se expande alrededor del emisor de la onda. En esa esfera que se expande, cada punto de su superficie es un fotón y al propagarse forma una línea recta que vá desde el emisor hasta la esfera cada vez más grande. 

Los fotones son partículas elementales sin masa y poseen energía, por lo que interactúan con la materia. La energía que tiene un fotón es E = hㆍf   siendo “h” la constante de Planck (6,62ㆍ10-34) y “f” la frecuencia del fotón. Por tanto, la energía de los fotones está cuantificada, no tiene un valor cualquiera ya que tan solo puede tener valores múltiplos de la constante de Planck “h”.

Dentro del espectro de luz visible, los violetas y azules tienen una longitud de onda menor, y por tanto tienen la mayor frecuencia, es decir, los violetas y azules tienen mayor energía. En el otro extremo, los rojos tienen la mayor longitud de onda, o lo que es lo mismo la menor frecuencia, siendo los fotones de rojo los que menor energía tienen.

Cuando observamos un objeto luminoso, puede ocurrir que ese objeto sea un emisor o fuente de luz en cuyo caso tendrá luz propia, o bien el objeto interactúa con la luz que viene de otro emisor y percibimos esa interacción.

Los objetos que son fuentes de luz pueden emitir luz por ionización o por radiación de cuerpo negro. En la emisión por ionización, también llamada luminiscencia,  se producen fotones cuando los electrones de los átomos han sido excitados por algún método y vuelven a su estado base de reposo. La radiación de cuerpo negro es la luz que emite cualquier cuerpo cuando se calienta.

En la emisión por ionización el fotón que se libera tiene una energía igual a la diferencia de energía que existe entre el orbital donde se encuentra el electrón excitado y el orbital de reposo al que se mueve el electrón. Así, los fotones emitidos pueden estar en el espectro visible o fuera de él, dependiendo del salto electrónico. Los átomos de los distintos elementos, las moléculas y los cristales, tienen combinaciones de saltos de energía característicos, de forma que viendo los fotones que emiten podemos identificarlos.

Al conjunto de fotones que emite un átomo, molécula o cristal cuando se excita se le denomina espectro de emisión, y gráficamente consiste en una serie de líneas de los colores que emite cuando cesa la excitación. Cada línea corresponde a una longitud de onda determinada cuya energía coincide con un salto electrónico, y hay varias líneas porque puede haber múltiples electrones excitados.

La excitación electrónica puede realizarse aplicando cualquier tipo de energía como puede ser calor, diferencia de potencial eléctrico, y también luz. Si iluminamos un átomo, molécula o cristal, ciertos fotones serán absorbidos y provocarán la excitación de los electrones. De esta forma se obtienen las líneas de absorción, que son las mismas que las líneas de emisión y también son características para cada átomo, molécula o cristal. Las líneas de absorción se representan como líneas negras en las longitudes de onda que se absorben por un material.

Dentro de toda la tabla periódica, podemos ver que los metales de transición son los que absorben (o emiten en la incandescencia) mayor número de frecuencias de luz visible y con mayor intensidad. Es por este motivo que los colorantes cerámicos son óxidos de estos metales de transición. 

En el resto de elementos, para que sus electrones cambien de nivel,  hay pocas opciones dentro de la luz visible y suelen necesitar energías que solo se obtienen de fotones infrarrojos o ultravioletas, fuera del rango de luz visible. Un vidriado transparente no contiene átomos de metales de transición, y los elementos que contiene no absorben apenas fotones de luz visible.

La otra forma de emisión de luz es la radiación de cuerpo negro, y es la emisión de fotones que se produce al calentar un cuerpo debido a la aceleración que produce el calor en las partículas cargas. Es decir, el calor, además de producir saltos entre orbitales de los electrones, también produce emisión de fotones por la aceleración en la vibración de las partículas.

La luz por radiación de cuerpo negro no es selectiva como la emisión por ionización, es decir no se emiten fotones de una longitud de onda determinada sino de muchas longitudes de onda cubriendo una banda mas o menos ancha. Cuanto más aumenta la temperatura, los fotones emitidos tienen mayor intensidad y mayor frecuencia (menor longitud de onda).

A una temperatura ambiente, los cuerpos emiten fotones en la banda de infrarrojos que no son visibles, pero si alcanzamos los 575º comienzan a emitirse fotones en la banda de los rojos. La luz de radiación por cuerpo negro es muy visible en los hornos cerámicos y su color predominante es una indicación de la temperatura que se alcanza en cada momento.

Rojo naciente525-600 ºC
Rojo oscuro650-700 ºC
Rojo vivo (cereza naciente)800-850 ºC
Rojo claro900-950 ºC
Naranja oscuro1000-1050 ºC
Naranja vivo1100-1150 ºC
Blanco naciente1200-1250 ºC
Blanco vivo1300-1350 ºC

Más allá de los colores que vemos en nuestro horno, a 5000ºC el color que se aprecia es blanco, pero la componente verde es la más intensa. El sol emite radiación a algo más de 5000ºC por lo que su luz es blanca aunque ligeramente verde. A 6000ºC se observa color azul claro, y a 12000ºC el color es azul oscuro.

Cuando un objeto no es un emisor de luz propia interactúa con la luz que recibe de tres formas que son transmisión, reflexión y absorción de la luz. Casi siempre estas tres formas de interacción con la luz se producen de forma simultánea aunque predomina algún tipo de interacción sobre las otras. Nuestros ojos perciben esas interacciones de forma que apreciamos que un objeto puede ser transparente u opaco, brillante o mate, incoloro o con unos o múltiples colores.

Cuando el ojo humano observa un objeto que no es emisor de luz, lo que percibe es la luz reflejada por dicho objeto pero, dependiendo de cómo es esa luz reflejada, la percepción será muy distinta. La transmisión de la luz produce las percepciones de transparencia y opacidad, la reflexión de la luz incidente se aprecia como brillo o matidez y la absorción la percibimos como el color. La proporción en la que pueden darse estos fenómenos depende de la naturaleza del material, de la longitud de onda de la radiación incidente y de su ángulo de incidencia.

En general, las cualidades de los materiales alcanzan todas las posibilidades intermedias y casi todas las combinaciones posibles. El vidriado aplicado sobre la pasta cerámica suele ser el responsable de las propiedades ópticas, y en especial la superficie del vidriado. Pero si la cerámica no está vidriada veremos directamente la pasta opaca, mate y con textura más o menos porosa e irregular, aunque hay ciertas pastas vitrificadas como la porcelana que alcanzan cierto brillo, e incluso cierta translucidez.

Los vidriados pueden ser transparentes y brillantes, o coloreados con suaves colores que mantienen la transparencia y el brillo. También hay vidriados opacos que mantienen el brillo en su superficie. Los vidriados semi-mates son de aspecto sedoso, y los mates pierden totalmente el brillo y la transparencia, por lo que siempre son opacos. Los vidriados coloreados, excepto algunos colores suaves que mantienen la transparencia, suelen convertir el vidriado en opaco.

La reflexión de la luz se produce cuando los fotones inciden oblicuamente sobre la superficie del objeto, de forma que rebotan sin penetrar en el objeto.

La luz que se refleja puede hacerlo con un ángulo igual al ángulo de incidencia (reflexión especular) o puede reflejarse con otros ángulos distintos, dependiendo de que la superficie sea totalmente plana o tenga texturas e irregularidades. La reflexión especular es percibida como brillo, mientras que la reflexión difusa es percibida como mate. 

La reflexión de la luz depende de la naturaleza electromagnética del objeto iluminado y del ángulo de incidencia de la luz. Sin embargo el brillo y el mate son fenómenos que solo dependen de la geometría de la superficie del objeto.

Cuando el ángulo de incidencia es rasante a la superficie, la luz se refleja con mayor facilidad que cuando incide más perpendicularmente a la superficie. 

Además del ángulo de incidencia, que haya más o menos luz reflejada depende de la naturaleza electromagnética del objeto. 

  • En los objetos transparentes o translúcidos, que transmiten la luz, la reflexión depende fundamentalmente del ángulo de incidencia. Por eso si observamos el agua en dirección paralela a la superficie se ve como un espejo, y si la observamos desde arriba se ve transparente. En los objetos transparentes la reflexión es especular, es decir, se perciben como brillantes. Los vidriados transparentes en cerámica son brillantes.
  • En los objetos opacos, en los que no se transmite la luz, toda la luz incidente se refleja o se absorbe. Si el objeto opaco es metálico, habrá una capa de electrones libres que se reorientan al recibir la luz reflejando la onda incidente obteniendo así el brillo metálico característico. Si el objeto opaco no es metálico, parte de la luz recibida se absorbe y parte se refleja, de forma que el objeto se percibe de un color determinado. El brillo o la matidez del objeto opaco depende del tipo de reflexión que se produzca (especular o difusa) en función de la superficie del objeto. Si el objeto opaco absorbe todas las longitudes de onda visibles, el objeto será percibido como negro y solo habrá reflexión cuando el ángulo de incidencia sea adecuado.

La absorción de la luz se produce fundamentalmente en los objetos opacos no metálicos y se percibe como color. Toda la luz que no es absorbida es reflejada. El color que percibimos es el de las longitudes de onda que no han sido absorbidas, es decir, vemos el color complementario del color absorbido.

En cerámica son objetos opacos no metálicos las pastas y las arcillas y los engobes, con la excepción de la porcelana de huesos que puede llegar a ser traslúcida. Sin embargo, como veremos más adelante, los esmaltes opacos no son materiales opacos, sino materiales transparentes que se hacen opacos al introducir en ellos multitud de pequeñas partículas opacas.

En los objetos transparentes también puede haber algo de absorción de la luz, como ocurre en los vidriados transparentes coloreados, pero dicha absorción debe ser lo suficientemente tenue como para poder seguir viendo lo que hay detrás del objeto, es decir, la absorción se percibe como colores pastel. Esto ocurre cuando se colorea un vidriado transparente con una pequeña cantidad de óxidos metálicos disueltos en forma de cationes.

En los objetos opacos metálicos también hay cierta absorción de luz gracias a algunos fotones que logran traspasar la capa de electrones libres, de forma que vemos los distintos tonos del brillo metálico. Por ejemplo el brillo amarillento del oro, grisáceo de la plata o rojizo del cobre. Estos son los colores que se obtienen en cerámica con los lustres y con los reflejos metálicos.

Además, cuando los objetos opacos metálicos tienen un tamaño de nanopartícula, se produce en ellos un fenómeno denominado resonancia del plasmón superficial que provoca la absorción de fotones, coloreando la nanopartícula metálica con colores totalmente distintos a los esperados del metal. En cerámica, el ejemplo más conocido se produce con las nanopartículas del cobre, que se perciben de un color rojo brillante (rojo sangre de buey).

Cuando las dimensiones de los cristales metálicos se reducen mucho y alcanzamos dimensiones de nanopartículas, la incidencia de un fotón hace que los electrones libres de la nube (una nube muy pequeña) oscilen colectivamente al ritmo que les marca la luz, yendo y viniendo hacia los extremos de la nanopartícula (esto se denomina plasmón). Dependiendo del metal esa oscilación es más débil o más fuerte. El oro, la plata y el cobre permiten mucha intensidad en la oscilación. Dependiendo del tamaño y forma de la nanopartícula, hay una longitud de onda de la luz que provoca que esa oscilación se potencie y aumente enormemente (porque los electrones de la nube entran en resonancia con el fotón, polarizándose),  es entonces cuando se produce la absorción del fotón provocando que la nanopartícula sea observada con el color complementario del absorbido. Si variamos el tamaño y la forma de las nanopartículas modificaremos su color.

Aparte de estas absorciones en materiales transparentes, opacos metálicos y nanopartículas metálicas, es en los materiales opacos no metálicos donde se producen la mayoría de las absorciones de fotones, obteniendo así objetos coloreados opacos.

Si hablamos a nivel de átomos, cuando la energía de un fotón es igual a la energía que se necesita para que un electrón salte desde su nivel de energía a otro nivel de energía superior, dicho fotón es absorbido y su energía hace que el electrón realice esa transición entre niveles. El fotón con una longitud de onda determinada (un color) desaparece y el átomo queda “excitado”. No se absorbe cualquier fotón, sino solo aquel que tenga una energía igual a la necesaria para que el electrón pueda saltar de nivel.

Sin embargo, en los objetos iluminados no suele haber átomos aislados, sino moléculas (en líquidos y gases) y cristales (en los sólidos). Hay dos teorías que explican cómo se produce la absorción de fotones en moléculas y cristales que se denominan “teoría de orbitales moleculares” y “teoría del campo cristalino”.

Los compuestos moleculares pueden considerarse como un conjunto de átomos que comparten “orbitales moleculares” de electrones de forma estable. En consecuencia, estos orbitales moleculares necesitan niveles de energía (distintos a los niveles de los átomos individuales que los componen) para que los electrones hagan una transición de nivel. En un compuesto molecular, además de la transición electrónica entre orbitales, la absorción de fotones también puede provocar cambios de estados vibracionales y cambios de estados rotacionales en el compuesto. Podemos decir que entre cada salto de nivel hay pequeños saltos de energía que aumentan la vibración molecular, y entre cada aumento de vibración hay saltos más pequeños que aumentan la rotación molecular. Es decir, en un compuesto molecular hay mayor número de fotones de distintas frecuencias que pueden ser absorbidos. 

Por otro lado, los cristales en los sólidos son redes ordenadas de átomos en los que se repite una celda o estructura fundamental. Esa celda fundamental consiste en un catión metálico rodeado por “ligandos” que pueden considerarse cargas puntuales negativas. Esas cargas negativas de los ligandos hacen que los electrones de los orbitales “d” del catión metálico tengan distintas energías dependiendo de su orientación en el espacio. Los orbitales “d” enfrentados a los ligandos tienen mayor energía que los orbitales “d” cuya orientación está entre dos ligandos. La diferencia de energía entre los distintos orbitales “d” viene determinada por el tipo de ligando del cristal y por la oxidación del metal (mayor diferencia de energía cuanto mayor sea la oxidación). 

De cara a entender cómo funciona la absorción de fotones en un cristal, lo importante es que un fotón cuya energía sea igual a la diferencia de energías entre los distintos orbitales “d”, será absorbido por el cristal. Cuando la diferencia de energías entre orbitales “d” sea grande, se absorberán colores de mayores frecuencias (violetas/azules/verdes) y serán vistos como colores amarillos/naranjas/rojos. Cuando la diferencia de energías entre orbitales “d” sea pequeña, se absorberán colores de menores frecuencias (rojos/naranjas/amarillos) y serán vistos como colores verdes/azules/violetas. 

Esto explica que el óxido de níquel, que como compuesto produce coloración marrón, cuando se integra sobre cristales de bario produce una coloración roja en el cristal imposible de conseguir por otras vías.

La absorción de fotones siempre produce una excitación del átomo/molécula/cristal que dura unos pocos nanosegundos, y será necesario mantener una fuente continua de fotones para mantener la excitación. Es decir, mientras exista iluminación se mantendrá la excitación y por tanto el color. Cuando cesa la iluminación, el material excitado y desestabilizado vuelve a su posición de reposo liberando energía.

Dependiendo del material, esa liberación de energía puede realizarse en forma de emisión de fotones (fosforescencia y fluorescencia), o en forma de vibración o calor.

Supongamos que un electrón ha sido excitado en un orbital molecular y ha saltado desde un nivel de energía S0 a un nivel de energía S2 . Según vemos en el gráfico, por debajo de S2 está P0, S1 y por último S0.

Cuando cesa el motivo de la excitación, el electrón  irá reduciendo su energía disminuyendo la vibración (sin emitir ningún fotón) dentro del nivel S2  para después realizar una conversión interna y pasar al nivel S1, donde volverá a relajarse en la vibración. El paso entre dos orbitales del mismo tipo se denomina conversión interna y es un proceso permitido por las “reglas de selectividad”. Una vez alcanzado el nivel más bajo de vibración en S1, el electrón saltará a S0 emitiendo así un fotón por fluorescencia de forma más o menos inmediata (en <10-8 segundos).

Pero si el electrón, cuando está en S1 pasa al orbital P0 (los orbitales P son múltiples y pueden ser Px, Py o Pz, los tres con la misma energía pero distinta orientación espacial), se produce un “cruce de sistemas” no permitido por las “reglas de selectividad”, de forma que tras la relajación vibracional, el electrón dará el salto desde P0 hasta S0 y se emitirá un fotón por fosforescencia, de forma que su emisión no será inmediata sino lentamente en el tiempo.

En estos procesos, los fotones emitidos siempre tienen menor energía (mayor longitud de onda) que el fotón que se absorbió. Los materiales que actúan por fosforescencia o fluorescencia pueden ser iluminados con luz ultravioleta no visible y devolver luz visible de forma inmediata o después de transcurrir horas.

La transmisión de la luz es la tercera forma de interacción entre la luz y la materia (las otras dos interacciones son la reflexión y la absorción). Cuando la luz se transmite a través de un objeto, pasa a través de él sin sufrir cambios de energía, aunque sí se pueden producir dispersiones de distintos tipos.

Se puede decir que la transmisión de la luz puede ser 

  • Directa: cuando se transmite la luz visible sin cambios de energía ni de dirección. Se dice que el material es transparente cuando hay transmisión directa (aunque no sea transparente para longitudes de onda fuera del espectro visible).
  • Difusa: cuando la luz se dispersa al atravesar el objeto. Se dice que el material es translúcido cuando hay transmisión difusa. La dispersión puede deberse a la refracción o a la presencia de partículas coloidales en el objeto translúcido.
  • Selectiva: cuando se produce algún tipo de absorción de algunas longitudes de onda, de forma que el objeto se percibe como transparente coloreado.

Es muy habitual que la transmisión, la reflexión y la absorción convivan en mayor o menor medida. En un vidriado brillante transparente coloreado hay transmisión selectiva, y por tanto, también hay absorción, y la reflexión es la responsable del brillo.

Cuando la luz penetra en un objeto transparente se produce automáticamente un fenómeno que se denomina refracción, que consiste en que la velocidad de propagación de la luz cambia, cambiando por tanto la longitud de onda ya que la frecuencia se mantiene igual.

Ese cambio de velocidad se traduce en un cambio de trayectoria, de forma que el rayo de luz refractado obtiene una inclinación mayor que el rayo incidente. Por eso, al introducir un lápiz en un vaso de agua se le ve como si estuviera partido. El cambio de velocidad depende de la naturaleza del material transparente por el que se transmite la luz y queda definido por el índice de refracción de dicho material.

El índice de refracción “n” permite calcular el ángulo con el que penetra la luz en un medio transparente y se define como n = c/v es decir es el cociente entre la velocidad de propagación en el vacío y la velocidad de propagación en el medio. 

La dirección de la parte de la luz que se transmite se puede calcular por la ley de Snell:

n1ㆍsen θ1 = n2ㆍsen θ2

Por ejemplo, “n” es 1,0003 para el aire, 1,33 para el agua, y varía entre 1,5 y 1,66 en los vidriados transparentes.

El índice de refracción depende de la temperatura del medio y de la longitud de onda de la luz. Cuanta más temperatura mayor es el índice de refracción. Ese es el motivo de que en verano, en muchas carreteras se vean espejismos a ras del suelo, ya que el aire es muy caliente y la luz se refracta más inclinando las imágenes, de forma que percibimos una especie de espejo.

Como el índice de refracción también depende de la longitud de onda de la luz, la inclinación que se produce en la transmisión de la luz es distinta para cada color. Por tanto, la refracción siempre produce dispersión de la luz. Los colores con mayor longitud de onda (y, por tanto, con menor energía) son los que menos se desvían (el índice de refracción es menor).

Dicho de otra forma, los rojos (longitud de onda mayor) se desvían menos que los azules (longitud de onda más pequeña) al refractarse. El arco iris es un ejemplo de dispersión provocada por el paso de la luz a través de las gotas de agua suspendidas en las nubes.

La dispersión es la responsable de la difracción (de hecho la dispersión y la difracción pueden considerarse como un único fenómeno).

Si la superficie por la que incide la luz no es lisa y tiene rugosidades, la transmisión de la luz se refracta en distintos planos no paralelos creando imágenes turbias de forma que la transparencia se convierte en translucidez.

Los vidriados o esmaltes cerámicos siempre se componen de una matriz vítrea transparente o transparente coloreada en la que se encuentran sumergidos pequeños cristales de distintos tipos.

En los vidriados de opacidad blanca a la matriz vítrea transparente se le añaden cristales opacos que reflejan de forma difusa toda la luz que reciben, de forma que son percibidos como esmaltes blancos. Este concepto de opacidad en los esmaltes es totalmente distinto a la opacidad óptica de ciertos materiales que no transmiten la luz, como las arcillas, engobes y pastas cerámicas. 

El grado de opacidad de un esmalte cerámico, es el grado de dispersión de la luz y depende de:

  1. La diferencia de índices de refracción entre la matriz vítrea y las partículas cristalinas. Cuanto mayor es esta diferencia, la dispersión de luz también es mayor. A título de ejemplo, el índice de refracción de un vidriado estándar oscila entre 1,50 y 1,57 mientras que los índices de refracción de los opacificantes, oscilan entre 2,04 y 2,70.  
  2. El tamaño de las partículas cristalinas del opacificante que es alrededor de 1µm, es decir, ligeramente superior a la longitud de onda de la luz (0.4-0.7µm). 
  3. La cantidad o concentración de cristales que se encuentran en la matriz vítrea. 

Otra forma de lograr opacidad en los esmaltes es consiguiendo tener gases atrapados en forma de pequeñísimas burbujas, o heterogeneidades conseguidas cuando se solidifican fases inmiscibles durante la fusión. Cualquier heterogeneidad del vidriado con un índice de refracción diferente provoca reflexión difusa de la luz y por tanto, opacidad. 

Otros esmaltes pueden incluir pigmentos, que son pequeños cristales opacos que absorben una longitud de onda determinada. Los pigmentos “flotan” en la matriz vítrea transparente de forma que absorben la luz de esa longitud de onda coloreando así el esmalte. En otros casos los esmaltes incluyen nanopartículas metálicas en su matriz vítrea,…

En todo caso, los esmaltes son, desde el punto de vista de la luz, medios transparentes en los que están suspendidas partículas de distintos tamaños, y esta combinación hace que se produzcan una serie de efectos especiales cuando la luz interactúa con esas partículas suspendidas, siendo la difracción el fenómeno responsable de estos efectos.

La difracción es un fenómeno que se produce cuando la luz que se transmite por un medio transparente choca contra el borde de un material y se desvía. La luz desviada forma una penumbra debido al carácter ondulatorio de la luz.

Este efecto se hace muy llamativo cuando la luz atraviesa una rendija ya que se produce la interferencia entre la onda original y las ondas desviadas provocando aros concéntricos irisados. Los colores aparecen como dispersos, aunque no hay realmente una dispersión sino interferencias entre ondas de la misma frecuencia. En la difracción, el color rojo es el que más se desvía por ser el que menos energía tiene (al contrario que ocurre en la dispersión donde el rojo es el que menos se desvía. 

Podemos ver la difracción de la luz cerrando mucho los ojos pero dejando una pequeña ranura entre los párpados mientras observamos un foco de luz, viendo así una especie de halo de colores. En los esmaltes, este tipo de efecto se produce cuando la luz pasa por los bordes de las partículas cristalinas suspendidas en él.

Si el tamaño de las partículas excede la longitud de onda de la luz, se producen los fenómenos de reflexión, refracción, absorción y también la difracción. En la figura siguiente, a la izquierda, puede verse un rayo de luz incidente sobre una partícula que se refleja parcialmente mientras otra parte penetra en la partícula donde se refracta, realiza una serie de reflexiones internas y después vuelve a salir de la partícula en alguna dirección, aunque sale de color verde porque también se han producido absorciones de algunas longitudes de onda en la partícula. También se representa un rayo de luz que choca con el borde de la partícula y se difracta.

Pero si el tamaño de la partícula es menor que la longitud de onda de la luz incidente, se produce una difracción tal que la luz rodea la partícula y sale dispersada en todas las direcciones, de forma que la partícula se convierte en un pequeño emisor de luz. Este fenómeno se conoce como opalescencia y es visible cuando se observa la partícula contra un fondo oscuro o desde un plano lateral a la luz incidente. El color de la luz reflejada se desplaza hacia las longitudes de onda más cortas, apreciándose color azulado.

El efecto de la dispersión provocada por la difracción suele denominarse esparcimiento para no confundirlo con la dispersión provocada por la refracción.  El esparcimiento se produce cuando los múltiples haces de luz que se transmiten por un medio transparente chocan contra una partícula de forma que los distintos haces se desvían en distintas direcciones. Es decir, la luz se esparce en distintas direcciones. 

Fue observado por primera vez por Faraday, pero fue estudiado en detalle, en líquidos y gases,  por Tyndall en 1868, por lo que se le suele conocer como efecto Tyndall o efecto Faraday-Tyndall. 

Tyndall descubrió que para distinguir una solución molecular de una suspensión coloidal, basta con iluminar con un rayo ambas, de forma que en la disolución el rayo de luz no será visible, mientras que en la suspensión coloidal el rayo de luz será visible debido a la luminiscencia de las partículas coloidales sobre las que incide el rayo.

Por tanto, el efecto Tyndall y la opalescencia son el mismo fenómeno y tan solo se diferencian en el tamaño de las partículas coloidales.

En cerámica, el efecto Tyndall es el responsable de los azules Chun producidos por pequeños cristales en los esmaltes y con alta probabilidad es también responsable de otros azules característicos como el azul del velo de boro, o los azules que se logran en esmaltes en reducción con el titanio y con el cobre. En todos estos azules, una característica común es que el color azul se aprecia mucho mejor cuando el vidriado de fondo es oscuro.

A partir del descubrimiento de Tyndall, se han estudiado mucho los fenómenos de esparcimiento. En la actualidad, los distintos fenómenos de esparcimiento se clasifican en:  

  • esparcimiento elástico, cuando la luz esparcida cambia de dirección pero conserva su energía. Pertenecen a este grupo el efecto Tyndall, la dispersión de Rayleigh y la dispersión de Mie., 
  • esparcimiento inelástico, cuando la luz esparcida cambia de dirección y también de energía, es decir cambia de dirección y de color. Pertenecen a este grupo el efecto Raman y el efecto Compton.

En todos los casos, influye mucho el tamaño de las partículas y se producen comportamientos distintos cuando las partículas tienen un diámetro similar o inferior a la longitud de onda de la luz, y cuando su diámetro es superior a la longitud de onda de la luz.

Rayleigh y Mie desarrollaron matemáticamente el efecto Tyndall.

El efecto conocido como “dispersión de Rayleigh” explica que los colores de mayor energía (azules y violetas) se dispersan en todas las direcciones al chocar contra partículas de tamaños inferiores o iguales a la longitud de onda.El resto de colores mantienen su trayectoria  El ejemplo más conocido del efecto Rayleigh se produce cuando la luz del sol atraviesa la atmósfera, plagada de pequeñas partículas que hacen que el color azul se esparza en todas las direcciones produciendo el color azul del cielo. La luz que no se esparce es blanca, pero si la analizamos contiene el rojo con mayor intensidad. De hecho, en el atardecer, debido al ángulo de incidencia, lo que vemos es la luz que no se ha dispersado y por eso vemos cielos rojizos.

La “dispersión de Mie” ocurre con partículas coloidales de tamaño superior a la longitud de onda y no es sensible a los colores. Lo que se produce es una dispersión de la luz en todas las direcciones, pero la luz es más intensa en la dirección del rayo incidente. Si observamos el cielo rojizo al atardecer (producido por la dispersión Rayleigh), veremos un rojo más intenso en zonas en las que hay nubes o contaminación  debido a la dispersión de Mie.

La luminosidad creada por el efecto Tyndall-Rayleigh-Mie en suspensiones coloidales tiene una intensidad cientos de veces superior a la que se produce en medios homogéneos coloreados.  Por este motivo, en las piedras preciosas basta con cantidades insignificantes de impurezas para obtener el color que apreciamos en rubíes, esmeraldas, topacios, etc… Y en los esmaltes ocurre lo mismo cuando vemos las pequeñísimas cantidades de hierro necesarias para obtener los azules de los celadones Chun. En los esmaltes rojos de cobre, la luz incidente es absorbida por el fenómeno de resonancia del plasmón superficial que provoca la absorción de fotones del color complementario al rojo, pero es muy común que simultáneamente se produzcan azules por efecto Tyndall, de forma que cuando esto ocurre se dice que el rojo de cobre está “flambeado”. También en este caso, la cantidad de cobre que se necesita para conseguir rojos y rojos flambeados es extremadamente pequeña.

Los efectos de esparcimiento inelásticos son el efecto Raman y el efecto Compton, pero no son observables en cerámica.

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