Ya estamos a mitad de septiembre, un mes en el que varios países hispanohablantes del continente americano poseen uno o más días festivos conmemorando la independencia del país. Algunos celebran con bailes tradicionales, comidas y bebidas típicas del país y, también, fuegos artificiales. Mucho se puede decir desde lo histórico y social de un país en estos días, pero ¡la ciencia también nos da qué hablar sobre las fiestas! De hecho, uno de los misterios más profundos de la física se encuentra oculto en una de estas formas de entretenimiento.
Me refiero a los fuegos artificiales. Todos hemos visto la gran cantidad de formas y colores que se pueden lograr por medio de simples explosiones, pero, si pensamos en toda la física que hay detrás de cómo se generan todos estos colores, ¡descubriremos que no hay nada de simple en ellas! Aunque no lo parezca, la clave está en la mecánica cuántica.
Figura 1. Fuegos artificiales de distintos colores generados por los componentes químicos que poseen.
A finales del siglo XIX, Heinrich Hertz demostró experimentalmente que la luz era una onda compuesta por las oscilaciones del campo eléctrico y magnético, como predicen las ecuaciones de Maxwell, fundamentales en la teoría electromagnética. Todos los colores que vemos día a día, se encuentran en un rango definido de frecuencias de oscilación de la luz, llamado el rango visible. Este abarca frecuencias entre 400 terahertz (color rojo) hasta los 790 terahertz (color violeta), pero el rango visible es solo una parte muy pequeña de entre todas las frecuencias posibles, donde también podemos encontrar la luz ultravioleta y la luz infrarroja.
Los colores que observamos a diario en todos los objetos son debido a una mezcla entre la absorción y dispersión de la luz que reciben. Sin embargo, al tener una temperatura distinta del cero absoluto (que es la temperatura más baja posible en el universo), también emiten su propia radiación, la que se conoce como radiación térmica. Para poder explicar este fenómeno, pensemos en un objeto que absorbe toda la luz que le llega desde afuera y que tiene una cierta temperatura. Al estar en equilibrio térmico con su ambiente, este objeto emite una luz conocida como radiación de cuerpo negro.
Figura 2. Radiación emitida por un cuerpo negro ideal. Un cuerpo a 5000 K de temperatura tiene su máximo de emisión en el rango visible.
Ni las mejores mentes del siglo XIX pudieron explicar este fenómeno porque el problema estaba en el marco teórico que estaban utilizando. La solución llegó el año 1900, en el que Max Planck propuso la hipótesis de que la luz venía en paquetes cuya energía es proporcional a su frecuencia. Esta idea revolucionaría completamente la física y, menos de treinta años después, ya se había desarrollado casi en su totalidad una nueva área de la física: la mecánica cuántica.
¿Cómo se relaciona esto con los fuegos artificiales? Bueno, la razón de los colores que observamos en ellos está en las propiedades de la radiación de cuerpo negro y en su composición química. La mecánica cuántica nos dice que los átomos y moléculas poseen niveles de energía y la transición entre dos estados de distinta energía es mediante la emisión o absorción de luz. Esto permite identificar cada compuesto químico mediante una “huella dactilar”, llamada espectro de emisión (o absorción, dependiendo el caso).
Figura 3. Espectro de emisión de algunos elementos. Desde arriba hacia abajo: hidrógeno, helio, mercurio y uranio.
Así, cada elemento de la Tabla Periódica puede asociarse a un “color” mediante su espectro de emisión, aunque no necesariamente esté en el rango visible. En química, se utiliza esta idea para saber la composición química de una muestra en un método analítico conocido como espectroscopía de emisión atómica, aunque también existen análisis rápidos como el famoso test de la llama, en el que se introduce la muestra en una llama y se observa el color de esta. Por ejemplo, el boro da un color verde claro, el litio un rojo carmesí y el sodio un amarillo intenso.
Figura 4. Fuego coloreado por soluciones de metanol que contienen distintas sales metálicas. De izquierda a derecha: LiCl, SrCl, CaCl, NaCl, BaCl, borato de trimetilo, CuCl, CsCl, y KCl.
En particular, para los fuegos artificiales existen distintos compuestos químicos cuya estructura a nivel atómico y molecular permite obtener los colores deseados. Generalmente se utilizan sales metálicas en las que el elemento metálico influye mayoritariamente en el color del fuego artificial. Por lo general, las sales son cloruros, nitratos, sulfatos o carbonatos. Por ejemplo, para obtener el rojo se puede usar nitrato de estroncio; para el amarillo, cloruro de sodio (sal común); para el azul, sulfato de cobre; y para el verde, carbonato de bario.
Desde ahora, cuando estemos celebrando y disfrutando de los fuegos artificiales, podemos añadirle más sazón al espectáculo intentando adivinar los elementos químicos que se utilizan en cada explosión. ¡Te desafío a hacerlo! Además, de recordar el largo camino que tuvo la física para reformularse y explicar algo que a simple vista parece tan sencillo, pero es, en cambio, muy complejo.
Agradecimientos
Agradezco a Francisco López y La Matemaga por haber revisado el borrador de esta entrada.
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