Clasifiación Óptica de sustancias

CLASIFICACION OPTICA DE SUSTANCIAS

Es posible extraer información acerca de la concentración, tamaño y naturaleza de las partículas embebidas en un medio, que se ilumine desde el exterior en forma controlada, a partir de mediciones del porcentaje y distribución angular de la luz que es transmitida (T) y el porcentaje y distribución angular de la luz que es reflejada (R) de una longitud deonda determinada.

Para lograr esto, se han desarrollado modelos en los cuales los parámetros ópticos medibles R y T, a veces denominados “macroscópicos”, se relacionan con los parámetros “microscópicos”, absorbancia k y esparcimiento s (“scattering”).
Tales modelos fenomenológicos son la ley de Beer (que supone que la luz que atraviesa la muestra no sufre esparcimiento, sólo absorción), la teoríade Kubelka-Munk (que supone que la luz que atraviesa la muestra es totalmente difusa), y los modelos multiflujo (que consideran que la luz que atraviesa la muestra se puede descomponer en directa y difusa). Estos modelos son la base para la determinación de la concentración y composición de mezclas de sustancias y son los más utilizados por los sistemas de espectroscopía y colorimetría actuales.Todos los tipos de sustancias se pueden clasificar ópticamente como un punto en el triángulo de Klein (2010)[1]. Se trata de un triángulo rectángulo cuya base horizontal es el porcentaje de luz reflejada (R), y el eje vertical el porcentaje de luz transmitida (T), de la sustancia.

En un medio no absorbente la energía de la luz incidente es igual a la energía de la luz trasmitida más laenergía de la luz reflejada; con lo cual, por conservación de la energía, se cumple la relación 1 = T + R. Una desviación de esta contabilidad se debe entonces a la absorción parcial de luz, o a un cambio de “canal” (cambio de frecuencia) de la luz esparcida.

Los materiales no absorbentes (blancos), para los cuales se cumple T=1-R, aparecen en la diagonal del triángulo de Klein y los materialesabsorbentes quedan representados por puntos en el interior del triángulo. Cada uno de los bordes de este triángulo, entonces, representa los casos extremos de un grupo de materiales de acuerdo a su comportamiento predominante al interactuar con la luz como se detalla a continuación.

Materiales transparentes (Eje vertical). Los materiales transparentes absorben la luz incidente colimada (directa)sin dispersarla; la luz sigue en ellos las leyes de propagación de la óptica geométrica y los porcentajes de energía reflejada y transmitida por ellos están descritos por las Leyes de Fresnel (~1818) [2]. Absorben, si la energía de la luz es suficiente para extraer y dar energía cinética a los electrones ligados, que luego se pierde en forma de calor. La explicación de este mecanismo se sale dela electrodinámica clásica y se sustenta en las reglas de la mecánica cuántica [3]. La relación entre la concentración de las partículas absorbentes y el espesor del recipiente que las contiene, están dadas por la ley de Bougher (1729), Lambert (1760) y Beer (1864).

Materiales no absorbentes (Diagonal). Los materiales no absorbentes pueden pasar de no ser cubrientes (transparentes) yobedientes de las leyes de Fresnel, a muy cubrientes (opacos) de acuerdo a la forma, orden y tamaños de sus cristales. Mientras más molidos (más pequeños y desordenados) sean sus cristales el esparcimiento es más isotrópico y con ello aumenta la reflectancia del material (hasta un cierto tamaño óptimo en el cual la reflectancia vuelve a disminuir). La teoría que describe plenamente este proceso parapartículas aproximadamente esféricas es la teoría de Mie (1908) [4, 5]. Una imagen de este proceso la brinda un vidrio originalmente transparente a medida que se quiebra en pedazos cada vez más finos y se vuelve cada vez más blanco hasta convertirse en el caso límite en un polvo blanco de sales de silicio (arena).

Materiales opacos (Eje horizontal). Si la propagación de luz hacia delante y la de...