Hogar característica distintiva vidrio - su transparencia. Y, probablemente, muchos se preguntaron: “¿Por qué tiene esta propiedad?” De hecho, gracias a esta cualidad, el vidrio se ha generalizado y utilizado ampliamente en la vida cotidiana.
Si profundizamos en este tema, puede parecer bastante difícil e incomprensible para la mayoría de las personas, ya que muchos procesos físicos se ven afectados en áreas como la óptica, mecánica cuántica y química. Para información general, es mejor usar más en lenguaje fácil una narrativa que será comprensible para muchos usuarios.
Entonces, se sabe que todos los cuerpos están formados por moléculas y las moléculas, a su vez, están formadas por átomos, cuya estructura es bastante simple. En el centro del átomo hay un núcleo formado por protones y neutrones, alrededor del cual giran los electrones en sus órbitas. La iluminación también es bastante sencilla. Basta imaginarlo como una corriente de bolas de fotones que salen volando de una linterna, a la que reaccionan nuestros ojos. Si colocas un muro de hormigón entre tus ojos y la linterna, la luz se volverá invisible. Pero si enfoca esta pared con una linterna desde el lado del observador, podrá ver cómo los rayos de luz se reflejan en el hormigón y vuelven a caer en los ojos. Es bastante lógico que las bolas de fotones no atraviesen una barrera concreta debido a que chocan con electrones, que se mueven a una velocidad tan increíble que un fotón de luz no puede atravesar las órbitas de los electrones hasta el núcleo y finalmente se refleja desde el electrones.
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Pero ¿por qué la luz atraviesa barreras de vidrio? Después de todo, dentro del vidrio también hay moléculas y átomos. Si toma un vidrio bastante grueso, entonces un fotón volador debería chocar con ellos, ya que en cada grano de vidrio simplemente hay una cantidad inconmensurable de átomos. En este caso, todo depende de cómo chocan los electrones con los fotones. Por ejemplo, cuando un fotón choca contra un electrón que gira alrededor de un protón, toda su energía va al electrón. El fotón es absorbido por éste y desaparece. A su vez, el electrón recibe energía adicional (la que tenía el fotón) y con su ayuda se mueve a una órbita más alta, comenzando así a girar más lejos del núcleo. Normalmente, las órbitas distantes son menos estables, por lo que después de un tiempo el electrón libera la partícula capturada y regresa a su órbita estable. El fotón emitido se envía en cualquier dirección arbitraria, tras lo cual es absorbido por algún átomo vecino. Continuará vagando en la sustancia hasta que sea expulsado hacia atrás o, eventualmente, como en un caso particular, para calentar una pared de concreto.
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Lo importante es que las órbitas de los electrones no están ubicadas aleatoriamente alrededor del núcleo atómico. Los átomos de cada elemento químico tienen un conjunto de niveles u órbitas claramente formado, es decir, el electrón no puede subir más ni bajar más. Tiene la capacidad de saltar sólo un espacio claro hacia arriba o hacia abajo. Y todos estos niveles tienen diferentes energías. Por lo tanto, resulta que sólo un fotón con una energía determinada y especificada con precisión es capaz de dirigir un electrón a una órbita más alta.
Resulta que entre tres fotones voladores con diferentes indicadores de carga de energía, solo uno se acopla a un átomo cuya energía será exactamente igual a la diferencia de energía entre los niveles de un átomo específico. El resto pasará volando y no podrá proporcionar al electrón una determinada porción de energía para poder pasar a otro nivel.
La transparencia del vidrio se explica por el hecho de que los electrones de sus átomos se encuentran en órbitas tales que su transición a un nivel superior requiere energía, que no es suficiente para un fotón de luz visible. Por esta razón, el fotón no choca con los átomos y atraviesa el vidrio con bastante facilidad.
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Digamos de inmediato que la afirmación de que cuanto más potente y brillante sea la fuente de luz, más energía tendrán los fotones es incorrecta. El poder depende de más de ellos. En este caso, la energía de cada partícula de luz individual es la misma. ¿Cómo encontrar fotones con diferentes cargas de energía? Para hacer esto, debemos recordar que la luz no es solo una corriente de bolas-partículas, también es una onda. Diferentes fotones tienen diferentes longitudes de onda. Y cuanto mayor es la frecuencia de oscilación, más poderosa es la partícula que lleva una carga de energía. Los fotones de baja frecuencia transportan poca energía, los de alta frecuencia transportan mucha. Los primeros incluyen ondas de radio y luz infrarroja. El segundo es la radiación de rayos X. La luz visible para nuestros ojos se encuentra en algún punto intermedio. Al mismo tiempo, por ejemplo, el mismo hormigón es transparente a las ondas de radio, a la radiación gamma y a la radiación infrarroja, pero opaco a los rayos ultravioleta, los rayos X y la luz visible.
Cuando era niño, una vez le pregunté a mi padre: “¿Por qué el vidrio deja pasar la luz?” Para entonces ya había aprendido que la luz es una corriente de partículas llamadas fotones, y me parecía sorprendente cómo una partícula tan pequeña podía volar a través de un vidrio grueso. El padre respondió: “Porque es transparente”. Me quedé en silencio, porque entendí que “transparente” es sólo sinónimo de la expresión “transmite luz”, y mi padre realmente no sabía la respuesta. Tampoco hubo respuesta en los libros de texto escolares, pero me gustaría saberla. ¿Por qué el vidrio transmite luz?
Respuesta
Los físicos llaman a la luz no sólo luz visible, sino también radiación infrarroja invisible, radiación ultravioleta, rayos X, radiación gamma y ondas de radio. Los materiales que son transparentes a una parte del espectro (por ejemplo, la luz verde) pueden ser opacos a otras partes del espectro (el vidrio rojo, por ejemplo, no transmite rayos verdes). El vidrio común no transmite radiación ultravioleta, pero el vidrio de cuarzo es transparente a la radiación ultravioleta. Los materiales que no transmiten luz visible en absoluto son transparentes a los rayos X. Etc.
La luz está formada por partículas llamadas fotones. Los fotones de diferentes “colores” (frecuencias) transportan diferentes porciones de energía.
Los fotones pueden ser absorbidos por la materia, transfiriendo energía y calentándola (como bien sabe cualquiera que haya tomado el sol en la playa). La luz puede reflejarse en una sustancia y luego entrar en nuestros ojos, por lo que vemos los objetos que nos rodean, pero en completa oscuridad, donde no hay fuentes de luz, no vemos nada. Y la luz puede atravesar una sustancia, y entonces decimos que esta sustancia es transparente.
Los diferentes materiales absorben, reflejan y transmiten la luz en diferentes proporciones y, por lo tanto, difieren en sus propiedades ópticas (más oscuro y más claro, diferentes colores, brillo, transparencia): el hollín absorbe el 95% de la luz que incide sobre él y un espejo plateado pulido refleja el 98%. de la luz. Se ha creado un material a base de nanotubos de carbono que refleja sólo 45 milésimas por ciento de la luz incidente.
Surgen preguntas: ¿cuándo un fotón es absorbido por una sustancia, cuándo se refleja y cuándo pasa a través de una sustancia? Ahora sólo nos interesa la tercera pregunta, pero responderemos a la primera en el camino.
La interacción de la luz y la materia es la interacción de los fotones con los electrones. Un electrón puede absorber un fotón y emitir un fotón. No hay reflejo de fotones. La reflexión de fotones es un proceso de dos pasos: la absorción de un fotón y la posterior emisión de exactamente el mismo fotón.
Los electrones de un átomo son capaces de ocupar sólo determinadas órbitas, cada una de las cuales tiene su propio nivel de energía. El átomo de cada elemento químico se caracteriza por su propio conjunto de niveles de energía, es decir, las órbitas permitidas de los electrones (lo mismo se aplica a las moléculas, los cristales, el estado condensado de la materia: el hollín y el diamante tienen los mismos átomos de carbono, pero las propiedades ópticas de las sustancias son diferentes, reflejan perfectamente la luz, son transparentes e incluso cambian de color (oro verde) si a partir de ellos se forman películas delgadas de vidrio amorfo que no transmiten radiación ultravioleta, y el vidrio cristalino hecho de las mismas moléculas de óxido de silicio es transparente; radiación ultravioleta).
Habiendo absorbido un fotón de cierta energía (color), el electrón se mueve a una órbita más alta. Por el contrario, al emitir un fotón, el electrón se desplaza a una órbita inferior. Los electrones no pueden absorber y emitir fotones, sino solo aquellos cuya energía (color) corresponde a la diferencia en los niveles de energía de un átomo en particular.
Por lo tanto, el comportamiento de la luz cuando encuentra una sustancia (reflejada, absorbida, transmitida) depende de cuáles son los niveles de energía permitidos para la sustancia y qué energía tienen los fotones (es decir, de qué color es la luz que incide sobre la sustancia).
Para que un fotón sea absorbido por uno de los electrones de un átomo, debe tener una energía estrictamente definida, correspondiente a la diferencia de energías de dos niveles de energía cualesquiera del átomo, de lo contrario pasará volando. En el vidrio, la distancia entre los niveles de energía individuales es grande y ni un solo fotón de luz visible tiene la energía correspondiente, lo que sería suficiente para que un electrón, habiendo absorbido un fotón, saltara a un nivel de energía superior. Por tanto, el vidrio transmite fotones de luz visible. Pero los fotones de la luz ultravioleta tienen suficiente energía, por lo que los electrones absorben estos fotones y el vidrio bloquea la radiación ultravioleta. En el vidrio de cuarzo, la distancia entre los niveles de energía permitidos (brecha de energía) es aún mayor y, por lo tanto, los fotones no solo de la luz visible, sino también de la ultravioleta, no tienen suficiente energía para que los electrones los absorban y se muevan a los niveles superiores permitidos.
Entonces, los fotones de luz visible vuelan a través del vidrio porque no tienen la energía adecuada para impulsar a los electrones a un nivel de energía más alto y, por lo tanto, el vidrio parece transparente.
Al agregar al vidrio impurezas que tienen un espectro de energía diferente, se puede colorear: el vidrio absorberá fotones de ciertas energías y transmitirá otros fotones de luz visible.
07.02.2017 15:49
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¿Por qué el vidrio es transparente?
El vidrio es un material muy importante que las personas utilizan en diferentes ámbitos de la vida. De él se fabrican ventanas, vajillas, espejos, cristales de gafas, etc....
Imagínate: regresas de la escuela y descubres que no hay cristales en las ventanas de tu apartamento. Toda la cristalería también desapareció de la casa. Quieres mirar tu cara de sorpresa en el espejo, pero tampoco estaba ahí... Y no tendríamos muchas otras cosas útiles ahora si el vidrio no hubiera aparecido a su debido tiempo.
En nuestro artículo te contamos la historia del vidrio, cómo llegó a nuestras vidas y por qué es tan transparente. ¿Quién inventó este material útil y frágil? Por extraño que parezca, nadie. El hecho es que el vidrio fue creado por la propia naturaleza.
Érase una vez, muchos millones de años antes de que apareciera el primer hombre en la Tierra, ya existía el vidrio. Y se formó a partir de lava primero caliente y luego enfriada que irrumpió en la superficie desde los volcanes. Este vidrio natural ahora se llama obsidiana.
Sin embargo, no se les permitía acristalar, por ejemplo, ventanas. Y no sólo porque entonces no había ventanas, sino también porque el vidrio natural tiene un color gris sucio y a través de él no se ve absolutamente nada.
Entonces, ¿cómo apareció el vidrio apto para el consumo, es decir, transparente? ¿Quizás la gente ha aprendido a lavarlo? Por desgracia, el vidrio natural no se ensucia por fuera, sino por dentro, por lo que ni siquiera los detergentes más modernos ayudarán...
Existen varias leyendas sobre cómo la gente fabricó por primera vez vidrio similar al vidrio moderno. Todos ellos son muy monótonos y su significado se reduce al hecho de que los viajeros, al no tener a mano piedras para el hogar, utilizaron trozos de refresco natural.
Además, esto sucedía en el desierto o en la orilla de un embalse, donde siempre había arena. Y así, bajo la influencia del fuego, la soda y la arena se derritieron y se unieron formando vidrio. La gente cree en estas leyendas desde hace mucho tiempo. Pero recientemente quedó claro que todo esto no es cierto, porque el calor que emana del fuego no es suficiente para tal rafting.
La gente empezó a producir vidrio con sus propias manos hace más de 5 mil años, en Egipto. Es cierto que incluso entonces no era transparente, pero debido al hecho de que había impurezas extrañas en la arena, tenía un tinte verde o azul. Pero poco a poco en Oriente aprendieron a deshacerse de estas impurezas. A juzgar por las excavaciones, los primeros productos de vidrio fueron cuentas.
Un poco más tarde empezaron a tapar los platos con vidrio. Y al ser humano le llevó otros 2.000 años aprender a fabricarlo enteramente de vidrio. El secreto de la producción de vidrio era tan valioso en aquellos días que el gobierno de Venecia a principios del siglo XIII envió personas especiales al este para descubrirlo. Como resultado, los venecianos obtuvieron este secreto.
Crearon su propia producción y consiguieron hacer el vidrio aún más transparente, pensando en añadir un poco de plomo a su composición. Al principio, el vidrio se fabricaba en la propia Venecia. Las autoridades locales tenían mucho miedo de que alguien descubriera el secreto de la producción, por lo que la zona donde se encontraban estos talleres siempre estuvo acordonada por los soldados.
Ninguno de los trabajadores involucrados en la producción de vidrio tenía derecho a salir de la ciudad. Por cualquier intento de hacer esto, no solo el propio vidriero, sino también toda su familia fueron condenados a muerte. Al final se decidió trasladar los talleres a la isla de Murano. Era más difícil escapar de allí y también era difícil llegar allí.
En 1271, los pulidores venecianos aprendieron a fabricar lentes de vidrio, que al principio no tenían gran demanda. Pero en 1281 descubrieron cómo insertarlos en monturas especialmente diseñadas. Así aparecieron las primeras gafas. Al principio eran tan caras que eran un excelente regalo incluso para reyes y emperadores.
A finales del siglo XV, cuando Venecia aprendió a fabricar cristalería, los productos de Murano (llamados así por la isla donde se fabricaban) se hicieron tan populares en todo el mundo que hubo que construir barcos adicionales para entregarlos.
Pero las mejoras en el vidrio continuaron más tarde. Ha llegado el momento y a la gente se le ocurrió la idea de cubrirlo con un compuesto especial: la amalgama, y así aparecieron los espejos.
En Rusia, la producción de vidrio comenzó hace mil años, en pequeños talleres. Y en 1634 se construyó la primera fábrica de vidrio cerca de Moscú.
Las propiedades ópticas de las gafas están relacionadas con rasgos característicos Interacción de los rayos de luz con el vidrio. Son las propiedades ópticas las que determinan la belleza y originalidad del procesamiento decorativo de los productos de vidrio.
Refracción y dispersión Caracterizar los patrones de propagación de la luz en una sustancia en función de su estructura. La refracción de la luz es un cambio en la dirección de propagación de la luz cuando pasa de un medio a otro, que se diferencia del primero en el valor de la velocidad de propagación.
En la figura. La Figura 6 muestra la trayectoria del haz cuando pasa a través de una placa de vidrio plana paralela. El haz incidente forma ángulos con la normal a la interfaz entre los medios en el punto de incidencia. Si el haz va del aire al vidrio, entonces i es el ángulo de incidencia, r es el ángulo de refracción (en la figura i>r, porque en el aire la velocidad de propagación de las ondas luminosas es mayor que en el vidrio, en este caso el aire es un medio ópticamente menos denso que el vidrio).
La refracción de la luz se caracteriza por el índice de refracción relativo: la relación entre la velocidad de la luz en el medio desde el cual la luz incide en la interfaz y la velocidad de la luz en el segundo medio. El índice de refracción se determina a partir de la relación n=sen i/sen r. El índice de refracción relativo no tiene dimensión y, para medios transparentes, aire-vidrio es siempre mayor que uno. Por ejemplo, los índices de refracción relativos (en relación con el aire): agua - 1,33, cristal - 1,6, - 2,47.
Arroz. 6. Esquema de paso del haz a través de una placa de vidrio plana paralela.
Arroz. 7. Espectro prismático (dispersivo) a - descomposición de un haz de luz por un prisma; b- gamas de colores de la parte visible
Dispersión de la luz es la dependencia del índice de refracción de la frecuencia de la luz (longitud de onda). La dispersión normal se caracteriza por un aumento del índice de refracción al aumentar la frecuencia o disminuir la longitud de onda.
Debido a la dispersión, un haz de luz que pasa a través de un prisma de vidrio forma una franja de arco iris en una pantalla instalada detrás del prisma: un espectro prismático (dispersivo) (Fig. 7a). En el espectro, los colores se ubican en una secuencia determinada, comenzando desde el violeta y terminando en el rojo (Fig. 7.6).
La razón de la descomposición de la luz (dispersión) es la dependencia del índice de refracción de la frecuencia de la luz (longitud de onda): cuanto mayor es la frecuencia de la luz (longitud de onda más corta), mayor es el índice de refracción. En el espectro prismático, los rayos violetas tienen la frecuencia más alta y la longitud de onda más corta, y los rayos rojos tienen la frecuencia más baja y la longitud de onda más larga, por lo tanto, los rayos violetas se refractan más que los rojos.
El índice de refracción y la dispersión dependen de la composición del vidrio y el índice de refracción también depende de la densidad. Cuanto mayor sea la densidad, mayor será el índice de refracción. CaO, Sb 2 O 3, PbO, BaO, ZnO y óxidos alcalinos aumentan el índice de refracción, la adición de SiO 2 lo reduce. La dispersión aumenta con la introducción de Sb 2 O 3 y PbO. CaO y BaO tienen un efecto más fuerte sobre el índice de refracción que sobre la dispersión. Para la producción de productos altamente artísticos y vajillas de alta calidad sometidas a pulido, se utiliza principalmente vidrio que contiene hasta un 30% de PbO, ya que el PbO aumenta significativamente el índice de refracción y la dispersión.
reflejo de la luz- fenómeno que se observa cuando la luz incide sobre la interfaz de dos medios ópticamente diferentes y consiste en la formación de una onda reflejada que se propaga desde la interfaz hacia el mismo medio del que proviene la onda incidente. La reflexión se caracteriza por el coeficiente de reflexión, que es igual a la relación entre el flujo de luz reflejado y el incidente.
Aproximadamente el 4% de la luz se refleja en la superficie del vidrio. El efecto de reflexión se ve reforzado por la presencia de numerosas superficies pulidas (tallado de diamantes, facetado).
Si las irregularidades de la interfaz son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la luz incidente, entonces se produce una reflexión especular; si las irregularidades son mayores que la longitud de onda, se produce una reflexión difusa, en la que la luz se dispersa por la superficie en todas las direcciones posibles. La reflexión se llama selectiva si la reflectancia no es la misma para luz de diferentes longitudes de onda. La reflexión selectiva explica el color de los cuerpos opacos.
dispersión de luz- fenómeno observado durante la propagación de ondas luminosas en un medio con heterogeneidades distribuidas aleatoriamente y que consiste en la formación de ondas secundarias que se propagan en todas las direcciones posibles.
En el vidrio transparente ordinario, prácticamente no se produce dispersión de luz. Si la superficie del vidrio es desigual (vidrio esmerilado) o las heterogeneidades (cristales, inclusiones) están distribuidas uniformemente por todo el vidrio, entonces las ondas de luz no pueden atravesar el vidrio sin dispersarse y, por lo tanto, dicho vidrio es opaco.
Transmisión y absorción de luz. se explica a continuación. Cuando un haz de luz de intensidad I 0 pasa a través de un medio transparente (sustancia), la intensidad del flujo inicial se debilita y el haz de luz que emerge del medio tendrá intensidad I.< I 0 . Ослабление светового потока связано частично с явлениями отражения и рассеяния света, что главным образом происходит за счет поглощения световой энергии, обусловленного взаимодействием света с частицами среды.
La absorción reduce la translucidez general del vidrio, que para el vidrio sodocálcico transparente es aproximadamente del 93%. La absorción de luz es diferente para diferentes longitudes de onda, razón por la cual los vidrios polarizados tienen diferentes colores. El color del vidrio (Tabla 2), que es percibido por el ojo, está determinado por el color de la parte del haz de luz incidente que atravesó el vidrio sin ser absorbido.
Los indicadores de transmisión (absorción) en la región visible del espectro son importantes para evaluar el color de vidrios varietales, de señal y de otros colores, en la región infrarroja, para los procesos tecnológicos de fusión y moldeo de vidrio (transparencia térmica de los vidrios), en la ultravioleta: para las propiedades operativas de los vidrios (los productos hechos de vidrio uviol deben transmitir rayos ultravioleta y los contenedores deben bloquearse).
Birrefringencia- bifurcación de un haz de luz al pasar a través de un medio ópticamente anisotrópico, es decir, un medio con diferentes propiedades en diferentes direcciones (por ejemplo, la mayoría de los cristales). Este fenómeno ocurre porque el índice de refracción depende de la dirección del vector eléctrico de la onda luminosa. Un rayo de luz que entra en un cristal se descompone en dos rayos: ordinario y extraordinario. Las velocidades de propagación de estos rayos son diferentes. La birrefringencia se mide por la diferencia en el camino de los rayos, nm/cm.
Cuando el vidrio se enfría o calienta de manera desigual, surgen tensiones internas que causan birrefringencia, es decir, el vidrio se asemeja a un cristal birrefringente, por ejemplo, cuarzo, mica, yeso. Este fenómeno se utiliza para controlar la calidad del tratamiento térmico del vidrio, principalmente el recocido y templado.
Para empezar, digamos algunas palabras sobre sólidos, líquidos y gases. En un sólido, las moléculas se atraen fuertemente entre sí. Literalmente se mantuvieron unidos.
Por eso los sólidos tienen forma finita, como una bola o un cubo. Pero aunque las moléculas están muy apretadas, todavía vibran ligeramente alrededor de su posición promedio (nada en la naturaleza permanece quieto).
Moléculas en líquidos y gases.
En los líquidos, las moléculas están conectadas entre sí de manera más laxa. Se deslizan y cambian entre sí. Por tanto, los líquidos son fluidos y ocupan todo el volumen del recipiente en el que se vierten. En los gases, las moléculas no tienen ninguna relación entre sí. Vuelan a altas velocidades en todas direcciones. La velocidad media de vuelo de una molécula de hidrógeno a una temperatura de 0 grados centígrados es de 5600 kilómetros por hora. Hay mucho espacio libre entre las moléculas de gas. Podrías caminar a través de una nube de gas y ni siquiera notarlo.
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¿Por qué los gases son transparentes pero los sólidos no?
La temperatura juega un papel decisivo a la hora de determinar si una determinada sustancia es sólida, líquida o gaseosa. A presión normal sobre la superficie de la tierra a una temperatura de 0 grados Celsius o menos, el agua es un sólido. A temperaturas entre 0 y 100 grados centígrados, el agua es un líquido. A temperaturas superiores a los 100 grados centígrados, el agua es un gas. El vapor de la sartén se esparce uniformemente por toda la cocina en todas direcciones.
Con base en lo anterior, supongamos que es posible ver a través de los gases, pero que es imposible a través de los sólidos. Pero algunos sólidos, como el vidrio, son tan transparentes como el aire. ¿Cómo funciona esto? La mayoría de los sólidos absorben la luz que incide sobre ellos. Parte de la energía luminosa absorbida se utiliza para calentar el cuerpo. La mayor parte de la luz incidente se refleja. Por tanto, vemos un cuerpo sólido, pero no podemos ver a través de él.
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Las moléculas de vidrio absorben los fotones de luz que inciden sobre ellas. Al mismo tiempo, las moléculas de vidrio emiten los mismos fotones en la misma dirección. El vidrio absorbe fotones y emite los mismos fotones en la misma dirección. Así es como el vidrio resulta transparente, es decir, realmente deja pasar la luz. Lo mismo ocurre con el agua y otros líquidos prácticamente incoloros. La mayor parte de la luz incidente es transportada por moléculas. Algunos fotones se absorben y su energía se utiliza para calentar el líquido.
En los gases, las moléculas se encuentran a grandes distancias unas de otras. Los rayos de luz pueden atravesar una nube de gas sin encontrar una sola molécula en el camino. Esto les sucede a la mayoría de los fotones de la luz solar que atraviesan la atmósfera terrestre. La luz se dispersa cuando choca con las moléculas de gas. Cuando la luz blanca choca con una molécula, se divide en un espectro de colores. Por eso, aparentemente, los gases de la atmósfera terrestre parecen azules. A pesar de ello, se consideran transparentes.
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