La llum és un tipus de radiació electromagnètica, és a dir, és una combinació de camps elèctrics i magnètics que transporten l'energia per l'espai.

Al llarg de la història s'ha considerat alternativament la radiació electromagnètica de la llum, com un conjunt d'ones o de corpuscles. Aquests dos corrents teòrics, anomenats respectivament ondulatoris i corpusculars, han arribat als nostres dies amb successives modificacions, acceptant-se actualment que la llum sembla actuar unes vegades com un conjunt d'ones i d'altres com un conjunt de partícules. Aquests dos estats no s'exclouen, sinó que són complementaris.

La llum es comporta com una partícula quan interacciona amb la matèria. De la partícula que interacciona amb els àtoms de la matèria se'n diu "fotó". Un fotó és un paquet d'energia o un quàntum, és a dir, una partícula sense càrrega ni massa, només energia. D'altra banda, la llum en traslladar-se es comporta com una ona. Concretament, es propaga en forma d'ones electromagnètiques per diversos mitjans materials com l'aire, l'aigua, o fins i tot en el buit.

El comportament de la llum sembla variar depenent del fenomen que s'estigui analitzant. Per explicar la reflexió, la refracció, la interferència, la difracció o la polarització és convenient fer-ho des d'un punt de vista ondulatori. No obstant això, la llum que normalment la imaginem com una ona també mostra les propietats d'una partícula quan interacciona amb la matèria, com ho demostra l'efecte fotoelèctric.

Com podem acceptar aquesta dualitat? Posem l'exemple d'un cilindre, des d'una perspectiva sembla un cercle, però des d'una altra perspectiva sembla un rectangle. De la mateixa manera, la llum de vegades actua com una ona i altres vegades com una partícula depenent del punt de vista. 

Tenint en compte aquesta doble naturalesa, podem dir que la llum és una forma d'energia que es propaga des d'una font emissora a través d'un medi fins a un receptor sensible. És a dir, la llum és el conjunt de radiacions electromagnètiques que són visibles per l'ull humà.

Per poder comprendre alguns aspectes de la llum definirem aquí dos conceptes bàsics: 

- Ones

- Espectres

Una ona és una vibració o pertorbació que es propaga a través de l'espai sense suport material i que transporta energia.

En una ona podem definir, entre d'altres, els paràmetres següents:

     - Període (T): temps que triga a anar des d'un punt de màxima amplitud al següent.

     - Amplitud (A): distància vertical entre una cresta i el punt mitjà de l'ona.

     - Freqüència (f): nombre de vegades que es repeteix aquesta vibració per unitat de temps.

     - Longitud d'ona (λ): distància lineal entre el mateix punt de dues ondulacions consecutives.

     - Velocitat de propagació (V): És la distància que recorre l'ona en una unitat de temps. En el cas de la velocitat de propagació de la llum en el buit, es representa amb la lletra c (c = 299.792 km/s). 

La longitud d'ona és inversament proporcional a la freqüència. Així, com més gran és la distància entre dos punts en la mateixa fase, menys vegades oscil·la en un temps determinat. També és menor la quantitat d'energia que transporten.

Les ones poden ser mecàniques, com les del so, que necessiten un medi per desplaçar-se, o electromagnètiques, com les de la llum, que no en depenen. Generalment, es fa servir la freqüència per parlar del so, i la longitud d'ona per parlar de la llum.

Les ones mecàniques i les ones electromagnètiques són dues maneres importants de transportar l'energia al món que ens envolta. Les ones a l'aigua i les ones sonores a l'aire són dos exemples d'ones mecàniques. Les ones mecàniques són causades per una pertorbació o vibració de la matèria, sigui sòlida, gasosa, líquida o plasma. La matèria per la qual viatgen les ones s'anomena medi. Les ones d'aigua es formen per vibracions en un líquid i les ones sonores es formen per vibracions en un gas (aire). Aquestes ones mecàniques viatgen a través d'un medi fent que les molècules xoquin les unes amb les altres, com quan cauen les peces de dòmino transferint l'energia d'una a l'altra. Les ones sonores no poden viatjar en el buit de l'espai perquè no hi ha cap mitjà per transmetre aquestes ones mecàniques. 

Les ones electromagnètiques són ones planes transversals formades per un camp elèctric i un altre magnètic perpendiculars entre si, respecte a la direcció de propagació. Al conjunt dels camps elèctric i magnètic l'anomenem "camp electromagnètic". 

La següent animació representa una ona electromagnètica. Els vectors verds mostren la fluctuació del camp elèctric, els vectors vermells mostren la fluctuació del camp magnètic. 

Les radiacions electromagnètiques es poden classificar definint els diferents intervals de longitud d'ona, obtenint-ne els anomenats espectres.

L'espectre que conté totes les longituds d'ona possibles s'anomena "espectre electromagnètic". Conté longituds d'ona des de 0,01 nm, i fins i tot menors, fins a més de 100 km. Dins d'ell es troben els raigs gamma, els raigs X, la llum ultraviolada, la llum visible (que ocupa un diminut segment), els infrarojos, les microones i les ones de ràdio.

L'espectre lluminós és una part de l'espectre electromagnètic, i comprèn les radiacions que tenen una longitud d'ona entre 100 i 1500 nm. Està compost per la llum visible a més de la radiació infraroja i la ultraviolada. 

Tota la radiació electromagnètica és llum, però només podem veure una petita part d'aquesta radiació, la part que anomenem espectre visible. Les cèl·lules en forma de con dels nostres ulls actuen com a receptors sintonitzats amb les longituds d'ona d'aquesta banda estreta de l'espectre. Les altres parts de l'espectre tenen longituds d'ona massa grans o massa petites per a les limitacions biològiques de la nostra percepció. A mesura que l'espectre complet de la llum visible viatja a través d'un prisma, les longituds d'ona se separen en els colors de l'arc de Sant Martí perquè cada color té una longitud d'ona diferent. El violeta té la longitud d'ona més curta, al voltant de 380 nanòmetres, i el vermell té la longitud d'ona més llarga, al voltant de 700 nanòmetres.

La llum blanca és la suma de totes les longituds d'ona que conté l'espectre visible en proporcions i intensitats iguals, i els diferents segments per separat són interpretats pel nostre cervell com a colors diferents. 

Quan la llum es troba amb un obstacle en el seu camí, interacciona amb la seva superfície i una part de la llum és reflectida. Si l'objecte és opac, la resta de la llum que no es reflecteix serà absorbida. Si l'objecte és translúcid o transparent, una part serà absorbida com en el cas anterior, una altra part es reflectirà i la resta travessarà el cos.

Així doncs, tenim diferents possibilitats pel que fa al comportament de la llum quan interacciona amb la matèria:

- La reflexió

- La refracció

- La transmissió

- L'absorció

- La polarització

Per a una explicació física de la cromaticitat dels cossos que ens envolten, cal tenir en compte la interacció de la llum amb la matèria de què estan compostos els objectes.

Segons el Model Corpuscular, la llum està formada per quantitats quantificables d'energia, els fotons. La interacció de la llum (fotons) amb els materials compleix les lleis de conservació de l'energia, per això l'energia radiant que incideix sobre un objecte es transforma, d'una banda, en energia reflectida, en energia transmesa i en energia absorbida:

ϕ(λ) representa a la llum incident sobre l'objecte, R(λ) l'energia reflectida, T(λ) el flux transmès i A(λ) la quantitat de llum absorbida per la matèria. Normalitzant aquestes quantitats, obtenim:

Per tant:

Sent R la reflectància, T la transmitància i A l'absorbància, les característiques que defineixen les propietats d'un material. El valor d'aquestes característiques depèn, d'una banda, de la composició química dels cossos o objectes i, de l'altra, de la longitud d'ona incident sobre aquests.

La reflexió és el fenomen que ens permet veure les coses, perquè quan un raig de llum incideix sobre la superfície de separació de dos mitjans, una part hi rebota i canvia de direcció tornant al medi inicial.

La llei de la reflexió diu que l'angle de reflexió de la llum sempre és igual al de la llum incident (θr=θi). La "normal" és una línia imaginària perpendicular a la superfície de separació dels dos mitjans en el punt de contacte del raig, i respecte a la qual es mesuren aquests angles. La imatge reflectida apareix invertida i a la mateixa distància de la superfície reflectora que l'objecte respecte d'aquesta.

La direcció en què surt reflectida la llum ve determinada per les característiques de la superfície contra la qual xoca. Si la superfície és brillant o polida es produeix la "reflexió directa" o "reflexió especular", en què tota la llum reflectida surt en una única direcció. Si la superfície és irregular i la llum surt escampada en totes direccions, s'anomena "reflexió difusa". I finalment, hi ha el cas intermedi, la "reflexió mixta", en què predomina una direcció sobre les altres. Aquest cas es dona en superfícies metàl·liques sense polir, vernissos, paper brillant, etc.

Reflexió especular, reflexió difusa i reflexió mixta.

La refracció es produeix quan un raig de llum es desvia de la seva trajectòria en travessar la superfície de separació de dos mitjans transparents o translúcids amb diferents índexs de refracció. El canvi de direcció és perquè la velocitat de propagació de la llum en cadascun dels dos mitjans materials és diferent.

La llei de la refracció diu que el raig incident, la normal i el refractat estan en el mateix pla i en costats oposats de la normal a la superfície.

S'anomena angle d'incidència θ1 a l'angle format pel raig incident i la normal, i angle de refracció θ2 al format pel raig refractat i la normal.

Si el segon mitjà n2 té un índex de refracció major que el primer n1, la velocitat de la llum disminuirà, apropant-se a la normal, i si té un índex de refracció menor, augmentarà la velocitat allunyant-se de la normal.

En un feix de llum policromàtic (que conté diferents longituds d'ona o colors) els colors viatjaran a diferents velocitats segons la seva longitud d'ona, per la qual cosa cadascun es refractarà amb un angle diferent permetent veure els diferents colors per separat, com passa amb l'arc de Sant Martí o en fer passar la llum per un prisma.

Quan es descompon la llum blanca del sol amb l'ajuda d'un prisma, s'observa un ventall de colors. Es diu que la llum blanca poseeix un espectre continu perquè passa d'un color a l'altre sense interrupció en la successió de colors. 

Dispersió del color d'un prisma. Moveu el punt blanc per canviar l'orientació del raig de llum blanca incident. Utilitzeu els controls per ajustar l'índex de refracció del material del prisma (n1), l'índex de refracció de la llum vermella del prisma (nred), i la diferència percentual entre l'índex de refracció del prisma per a la llum vermella i l'índex de refracció del prisma per a llum violeta (% Diferència). 

_________________________

L'índex de refracció d'un medi es defineix com el quocient entre la velocitat de la llum en el buit i la velocitat de la llum en aquest mitjà.

n = Índex de refracció, c = velocitat de la llum en el vuit (299.792.458 m/s), v = velocitat de la llum en el medi

La simulació mostra la reflexió i la refracció d'un raig de llum mentre intenta passar d'un medi a un altre. Utilitzeu els controls per ajustar l'índex de refracció de cadascun dels dos materials (n1 i n2), així com l'angle d'incidència (l'angle entre el raig de llum incident i la normal a la superfície). Feu servir les caselles de selecció per mostrar o amagar informació diversa. 

La transmissió és el pas d'una radiació a través d'un mitjà sense canvi de freqüència de les radiacions monocromàtiques que la componen. Aquest fenomen és característic de certs tipus de vidres, cristalls, plàstics, l'aire, i de l'aigua i altres líquids.
En travessar el material, part de la llum es perd a causa de la reflexió sobre la superfície del següent mitjà i part s'absorbeix. La relació entre la llum incident i la llum transmesa s'anomena transmitància del material.
Es poden diferenciar tres tipus de transmissió: regular, difusa i mixta. 

Podem considerar la transmissió com una doble refracció. Si pensem amb un vidre, per exemple, en arribar-hi la llum pateix una primera refracció (aire-vidre), després segueix el camí n2 i en sortir-ne n1 (vidre-aire), torna a refractar-se de nou.

La distància D es coneix com a desplaçament. Aquest desplaçament depèn de l'angle d'incidència i de l'índex de refracció del medi. Quan el raig d'incidència és perpendicular a la superfície, la refracció i el desplaçament equivalen a zero. 

Si després d'aquest procés el raig de llum no ha canviat la direcció de la seva trajectòria, es diu que la transmissió és regular, com passa amb els vidres transparents. Si es difon en totes direccions, la transmissió és difusa com passa amb els vidres translúcids. I si predomina una direcció sobre les altres, la transmissió és mixta, com passa amb els vidres orgànics o els vidres amb superfícies treballades.

Transmissió regular, transmissió difusa i transmissió mixta.

Transmissió regular: El feix de llum que incideix sobre un medi, el travessa i en surt sense haver canviat la trajectòria. Els mitjans que compleixen aquesta propietat, se'ls anomena cossos "transparents" i permeten veure amb nitidesa els objectes col·locats al seu darrere.

Transmissió difusa i transmissió mixta: El feix de llum incident es difon en travessar el medi, sortint d'aquest en múltiples direccions. A aquests mitjans se'ls anomena "translúcids" i els objectes col·locats darrere seu no es distingeixen amb precisió. 

Quan un cos o medi no deixa passar cap feix de llum i no ens permet veure els objectes col·locats al seu darrere, diem que és un cos o medi "opac".

_________________________

Les lents són peces de material mineral (vidre) o orgànic (plàstic) en forma de disc, que refracten la llum quan aquesta passa a través seu. Per la seva forma i manera de desviar la llum, les lents poden ser de dos tipus:

- Convergents: concentren la llum en un punt

- Divergents: separen els raig de llum.

Simulació de lents convexes (convergents) i còncaves (divergents) . Mou el cercle blau per moure l'objecte, i mou el cercle vermell per canviar la distància focal de la lent. Desplaça el punt vermell anomenat "Focus" al costat dret de la lent per canviar a una lent còncava. 

En física, l'absorció de la radiació electromagnètica és el procés pel qual aquesta radiació és captada per la matèria. Quan l'absorció es produeix dins el rang de la llum visible rep el nom d'absorció òptica. Aquesta radiació, en ser absorbida, pot ser reemesa o bé transformar-se en un altre tipus d'energia, com calor o energia elèctrica.

En general, tots els materials absorbeixen algun rang de freqüències. Aquells que absorbeixen tot el rang de la llum visible són anomenats materials opacs, mentre que si deixen passar aquest rang de freqüències se'ls anomena transparents. És precisament aquest procés d'absorció i posterior reemissió de la llum visible allò que dóna color a la matèria.

Els colors que mostra l'espectre visible (arc de Sant Martí) són la combinació dels colors primaris, que no inclouen el blanc ni el negre, ja que aquests es consideren valors. El blanc estaria indicant la presència de llum, i el negre l'absència de llum.

Per a la majoria de materials, la taxa d'absorció varia amb la longitud d'ona de la llum incident, cosa que porta a l'aparició del color als pigments que absorbeixen certes longituds d'ona, però no d'altres. Per exemple, amb la llum blanca incident, un objecte que absorbeix les longituds d'ona del blau, verd i groc, apareixerà en vermell. Un material negre absorbeix totes les longituds d'ona visible (convertint-les en calor), mentre que un material blanc les reflectirà.

Un objecte és vermell perquè reflecteix les ones amb longituds d'ona corresponents al color vermell i absorbeix totes les altres. Si il·luminem el mateix objecte amb un feix de llum de color verd (que no contingui cap longitud d'ona vermella), el veurem d'un color grisós, perquè absorbirà tota la llum verda i no hi haurà res a reflectir. Per tant, quan percebem un objecte d'un color determinat, aquest depèn tant del color de la llum amb què l'il·luminem com dels colors que sigui capaç d'absorbir i de reflectir.

La llum incident depèn del focus emissor, segons sigui llum natural o artificial, i depenent del tipus de focus, ens arribaran diferents longituds d'ona.  

Quan filtrem la llum projectada estem eliminant totes les longituds d'ona que no corresponen al color del filtre, per tant, només deixem passar les longituds d'ona corresponents a aquest color.

Si l'objecte il·luminat és vermell i hem filtrat el feix de llum amb un filtre vermell, que només deixa passar les longituds d'ona vermelles, l'objecte podrà reflectir aquestes ones i es veurà vermell. Però en el cas que utilitzem un filtre verd o blau, que no deixen passar les longituds d'ona vermelles, l'objecte absorbirà aquestes ones i no podrà reflectir cap color i, per tant, no es veurà.