El color de un objeto

La luz es un conjunto de ondas electromagnéticas de longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm y 780 nm. También se puede interpretar la luz como flujo de partículas llamadas fotones de masa igual a cero, siendo la energía de cada fotón igual a la constante de Planck por la frecuencia de la onda electromagnética asociada, E=hf.

La luz blanca es una mezcla de las radiaciones electromagnéticas de todas las longitudes de onda que están entre los valores citados.  

En los átomos de la materia sus electrones están distribuidos regiones  llamadas capas y orbitales. La región más externa donde están los electrones es el orbital del valencia y sus electrones son los que forman parte de los enlaces, en cuyo caso los orbitales se desdoblan en otros con diferentes energías, Cuando los electrones están ocupando los orbitales de menor energía, se dice que los átomos están en el estado fundamental. Si hay electrones ocupando orbitales de mayor energía habiendo otros orbitales de menor energía no llenos, se dice que el átomo está excitado.

Si la luz incide sobre la superficie de un material, un átomo absorberá un fotón incidente sobre el mismo si su energía es justamente la que necesita un electrón para saltar de un orbital de menor energía a otro de mayor energía que esté libre. Si el fotón tiene más o menos energía que la diferencia de energías entre dos orbitales, el átomo no la absorberá, reflejándose.

Puede ser muy pequeña la diferencia de energías del último orbital ocupado en el estado fundamental y el siguiente, en el que se dice que el átomo estaría excitado si está ocupado por un electrón, en ciertos materiales. En ese caso el electrón que tenga mayor energía en el estado fundamental, necesita absorber poca energía de un fotón. Luego requerirá un fotón de menor frecuencia o mayor longitud de onda, por eso absorberá longitudes de onda más largas, de la gama de los amarillos y rojos. El objeto se verá en un color en el rango del azul-violeta.   

Puede que fuera mayor la diferencia de energía entre el último orbital ocupado en el estado fundamental y el siguiente, en donde el átomo estaría excitado si hubiera un electrón en el mismo. El átomo requeriría absorber más energía de un fotón y por lo tanto la frecuencia de la radiación electromagnética sería mayor y la longitud de onda menor, en la zona del azul-violeta. El objeto se verá con un color en la gama amarillo-rojo.

En la imagen adjunta se representa el diagrama cromático normal. Cada color tiene unas coordenadas (x,y).  El punto donde se cortan las rectas de la figura, de coordenadas  (0,33; 0,33) corresponde al color blanco, mezcla de todos los colores del espectro. En la periferia del diagrama cromático se representan las longitudes de onda en nanómetros.

Si sobre un objeto incide luz blanca y los átomos de su superficie absorben fotones de 700 nm, longitud de onda correspondiente al color rojo, el objeto se verá de color azul-verdoso

Si la luz blanca incide sobre un material que absorbe fotones de 380 nm, longitud de onda correspondiente al color violeta, el color que mostrará el objeto es amarillo-naranja.

El efecto físico descrito explica el 99% de los colores que vemos. El resto de los colores se debe a la estructura interna de la materia. Es el caso de los colores del reflejo de la luz en la cara de grabación de los CD,  de las pompas de jabón, de manchas delgadas de ciertas grasas en el agua, de las alas de los insectos por ejemplo. En las reflexiones de las ondas en dos capas sucesivas, las ondas reflejadas viajan con una diferencia de recorrido. Si esta diferencia de distancias es un múltiplo semientero de una longitud de onda, por ejemplo la longitud de onda del color rojo de 700 nm, quedan canceladas las ondas de dicha longitud de onda, observándose el color complementario, superposición de las ondas restantes.

Variando el ángulo de observación, serán ondas de otra longitud de onda las que se cancelen, puesto que las ondas reflejadas en la segunda superficie recorrerán más o menos distancia. Por lo tanto habrá una variación de color.

Fundamentos físico-químicos de la absorción de luz por pigmentos

Los electrones en un átomo o en una molécula están ocupando los niveles más bajos de energía permitidos, estado fundamental, pudiendo acceder a niveles superiores de energía que se denominan niveles excitados. Un nivel excitado tiene una energía muy definida y un electrón de un átomo en estado fundamental sólo puede saltar a un nivel excitado si absorbe un fotón con la energía precisa. Esta energía es inversamente proporcional a la longitud de onda.

  En una molécula los electrones externos se comparten entre átomos; se dice que son redistribuidos. La importancia de la redistribución depende del tipo de átomo, si es más o menos electronegativo, el tipo de enlace, el número de enlaces y el entorno de la molécula. La deslocalización afecta a los niveles de energía nuevos de los electrones y, por lo tanto, a las longitudes de onda de los fotones que puedan absorber. Cuanto más se redistribuyen los electrones, más cerca están los niveles excitados del nivel de más alta energía ocupado por el último electrón. Se necesita poca energía para que este electrón salte a niveles excitados y por lo tanto las moléculas podrán absorber fotones con longitudes de onda altas.

En una molécula compuesta de átomos de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno con enlaces dobles alternados y/o ciclos aromáticos también alternados, hay electrones altamente deslocalizados alrededor de todos estos enlaces. Los electrones involucrados en esos enlaces son fácilmente excitables, pueden absorber fotones de baja energía en el campo de visible. El núcleo tetrapirrólico de la clorofila es un ejemplo. Su deslocalización electrónica altamente pronunciada permite que las longitudes de onda sean absorbidas en azul (450 nm) y rojo (600 nm), de ahí el color verde de la clorofila.

En la imagen adjunta se muestra una molécula de clorofila. Su estructura química muestra numerosos enlaces dobles, heterociclos aromáticos y la presencia de un átomo de magnesio que permiten absorber longitudes de onda de baja energía, como las visibles. Esta región de la molécula actúa como un cromóforo gracias a la gran deslocalización de sus electrones.

En la siguiente imagen se muestra la acción de la fotosíntesis en el espectro. La clorofila a absorbe fotones en la zona azul intenso y roja; la clorofila b, en la región del azul más claro y del amarillo-naranja, y los carotenoides absorben en la región violeta-azul. La suma de las absorciones para cada longitud de onda determina que sea la zona verde la que quede reflejada.

Una vez que un electrón ha sido excitado por un fotón se pueden tener varias situaciones. El electrón puede volver al nivel fundamental pasando por saltos pequeños que transforman la energía perdida en calor y, después, en un salto grande hasta que llega a su nivel base. Si este salto es de energía suficiente, emite un fotón de longitud de onda en el espectro visible, se ha producido fluorescencia con una emisión de luz de longitud de onda más larga y de menor energía.

El electrón excitado también puede transmitir su energía al electrón de una molécula situada a unos pocos nanómetros. La energía del electrón excitado puede también ser utilizada por una reacción química, se dice entonces que se ha producido una reacción fotoquímica.

  Los machos de especie de insecto sympetrum darwinianum tienen en su etapa inmadura el pigmento xantomatina, cuya molécula muestra numerosos ciclos aromáticos y dobles enlaces. Se transforma en dihidroxantomatina al captar dos átomos de hidrógeno, habiendo electrones deslocalizados en ambas estructuras y los electrones en esos enlaces son fácilmente excitados por fotones de baja energía. En los machos de dicha especie se produce dicha transformación cuando llega a la etapa madura.  A su vez, la dihidroxantomatina podría ceder dos átomos de hidrógeno convirtiéndose en la xantomatina. Ambas moléculas tienen un comportamiento diferente con la absorción de la luz como se muestra en la imagen siguiente.  En el macho inmaduro la xantomatina absorbe fotones del espectro visible con longitudes de onda entre 400 nm y 525 nm aproximadamente, siendo la máxima absorción para la longitud de onda de 440 nm, en la zona de los azules. Los fotones reflejados dan una luz de color amarillo-naranja. En el macho maduro la dihidroxantomatina absorbe fotones cuyas longitudes de onda están más desplazadas hacia valores más altos, teniendo un pico de absorción para los 480 nm. Los fotones reflejados dan un color rojo.