Naturaleza de la luz y espectro electromagnético
Introducción
¡Hola!
¡Qué emoción volvernos a encontrar! Espero que sigas desarrollando tus habilidades y conocimientos en este proceso académico, por lo tanto te doy la bienvenida a la décima clase del curso.
En esta clase analizaremos el trayecto histórico en relación con la naturaleza de la luz y aprenderemos que la luz tiene un comportamiento dual: ciertos fenómenos se explican mejor si consideramos la teoría corpuscular y otros con la teoría ondulatoria. También aprenderemos acerca del espectro electromagnético, las diferentes regiones que lo componen y el rango estrecho que corresponde a la luz visible.
Aprenderemos como realizar algunos cálculos de la rapidez de la luz así como del cálculo de la energía de una onda electromagnética en función de su frecuencia y de la constante de Planck.
Hacia el final analizaremos el fenómeno fotoeléctrico así como el concepto fundamental de la teoría cuántica y concluiremos acerca del comportamiento de la luz: de acuerdo a la teoría corpuscular, la ondulatoria, o bien, si tiene un comportamiento dual.
Te invito a descubrir con mucho ánimo el estudio de la luz.
¡Comenzamos!
Desarrollo del tema
Naturaleza de la luz
Desde tiempos antiquísimos el ser humano se ha interesado en conocer qué es la luz, en qué consiste y porqué es que podemos ver las cosas u objetos. En los inicios se pensaba que los ojos emitían rayos hacia los objetos, pero tal idea fracasó porque contradecía la lógica y tampoco podía comprobarse su veracidad de manera experimental.Hacia fines del siglo xvii, Tippens (2011), sobresalían principalmente 2 teorías para explicar el origen, naturaleza y comportamiento de la luz. Una era la teoría corpuscular del físico y matemático inglés Sir Isaac Newton (1643-1727) que proponía que la luz consistía de pequeñas partículas de masa insignificante emitidas por las fuentes luminosas tales como el sol o el fuego. Opuesta a la anterior, estaba la teoría ondulatoria de la luz, planteada por el científico holandés Christiaan Huygens (1629-1695). Ambas teorías tendrían la capacidad para explicar los tres fenómenos más importantes en relación con la luz:
- La propagación rectilínea de la luz, es decir, el hecho de que ésta viaja en líneas rectas.
- La reflexión de la luz, característica que le confiere la habilidad para regresar a su medio original cuando choca con una superficie lisa.
- La refracción de la luz, propiedad que determina la desviación que sufre la luz cuando pasa de un medio a otro distinto, por ejemplo del agua al aire, o viceversa.
La figura 10.1 ilustra cada una de estas propiedades.
Fig. 10.1 Propiedades de la Luz.
Uno de los argumentos más fuertes de Newton en favor de su teoría corpuscular, era la propagación rectilínea de la luz; la teoría corpuscular explicaba perfectamente la formación de sombras nítidas. En contraposición, las ondas se flexionan cuando se encuentran con un obstáculo, hecho que dificultaba justificar las sombras nítidas; a la flexión de las ondas se llama difracción.
Por su parte, Huygens explicaba que en el caso de las ondas que forman la luz deben ser de una longitud muy pequeña, por lo que su flexión sería casi imperceptible y tendría así la capacidad de formar sombras nítidas.
Huygens explicaba la propagación de la luz, Tippens (2011), como una perturbación que se mueve formando una serie de ondas concéntricas (ver figura 10.2); cada frente de onda puede considerarse como una fuente de onda secundarias, llamadas ondeletas, que constituyen el nuevo frente de onda. El principio de Huygens pudo explicar exitosamente la reflexión y la refracción de la luz.
Nota: a) onda plana; b) onda esférica. (Fuente)
Newton explicaba la reflexión de la luz (fig. 10.3 a) si sus partículas constitutivas se consideraban como perfectamente elásticas. Para explicar la refracción de la luz (fig. 10.3 b) al pasar de un medio a otro, consideraba la analogía del cambio de dirección que se presenta cuando una pelota rodando cambia de dirección al encontrar una pendiente. Este hecho requería que las partículas de Newton se movieran más rápido, mientras que la justificación del mismo fenómeno mediante ondas se explicaba si las ondas se movían más lentamente en el medio de refracción. Isaac Newton manifestó que si se demostraba que la luz se mueve más lento en un medio material que en el aire, él desistiría científicamente de su teoría corpuscular.
Fue hasta mediados del siglo XIX que Jean Foucault demostró que la luz se mueve más lentamente en el agua que en el aire. El debate se inclinó en favor de la teoría ondulatoria, (Tippens, 2011, p. 645), con el descubrimiento de la interferencia (1801) y la difracción de la luz (1816), fenómenos que podían ser explicados únicamente en términos de la teoría ondulatoria. Sin embargo, en esa época se creía que todas las ondas requerían de un medio elástico para propagarse, por tanto, no podía explicarse cómo se propagaba la luz en el vacío. Así, fue necesario que los físicos postularan la existencia del ‘éter transportador de la luz’, medio universal que ocupaba todo el espacio entre y dentro de los cuerpos materiales; se definió el éter como ‘lo que transporta la luz’. Hacia 1865, el físico escocés James Clerk Maxwell, inició un trabajo de investigación para determinar las propiedades de un medio capaz de transportar la luz, el calor y la energía eléctrica. Descubrió que una carga acelerada puede radiar ondas electromagnéticas en el espacio, y que la energía de una onda electromagnética se divide igualmente entre los campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí (ver figura 10.4).
La teoría electromagnética sostiene que la luz se propaga como campos transversales oscilatorios. La energía se divide por igual entre los campos eléctrico E y magnético B, que son perpendiculares entre sí. Fuente: (Tippens, 2011, p. 646)
Maxwell, (Tippens, 2011, p. 646)., predijeron que el calor y la acción eléctrica se propagarían con la rapidez de la luz como una perturbación electromagnética.
Para 1885, H. R. Hertz demostró que la energía electromagnética puede ocurrir a cualquier frecuencia, concluyendo que la luz, el calor y las ondas de radio son de la misma naturaleza y se mueven con la velocidad de la luz, 3×108 m/s; todos los tipos de radiación pueden ser reflejados, enfocados, polarizados, etc. La naturaleza ondulatoria de la luz quedaba hasta entonces ampliamente apoyada por los hallazgos de la investigación científica.
En 1887, el experimento de Michelson-Morley demostró que no hay diferencia en la rapidez de la luz si ésta viaja en el mismo sentido de rotación de la Tierra o en sentido contrario. La interpretación de estos resultados por parte de Albert Einstein significó abandonar la idea del éter en favor de un espacio completamente vacío.
Maxwell pudo calcular la velocidad c de la luz a partir de la ecuación
Donde μ0, la permeabilidad del vacío, y ε0, la permitividad del vacío, toman los valores
Al sustituir estos valores en la expresión para c, se obtiene que la velocidad de la luz es
Puesto que todas las ondas electromagnéticas se mueven con la misma rapidez que la luz, el concepto de la luz como onda electromagnética queda plenamente soportado.
En el siguiente video podemos visualizar un panorama general de la historia referente a la naturaleza de la luz.
1. Teoría e historia de la luz (7:51):
Espectro Electromagnético
En la figura 10.4 se presenta el espectro electromagnético.
Fuente: (Tippens, 2011, p. 647).
Se observa que el intervalo de frecuencias es enorme. Sabemos de nuestro estudio del movimiento ondulatorio, que v=λf y que si expresamos la fórmula anterior en términos de la velocidad de la luz c=3×108 m/s, se obtiene
La sección del espectro electromagnético que corresponde a la luz visible abarca desde
λ=400 nm hasta λ=700 nm, o bien, si lo expresamos en angstroms, los valores van desde =4000 Å hasta =7000 Å, ya que 1 Å = 0.1 nm.
Este video te expone el concepto de espectro electromagnético de una manera sintética
2. El espectro electromagnético (6:29):
enseguida se expone la solución de algunos problemas relacionados con la velocidad de la luz y el espectro electromagnético.
3. Problemas de la velocidad de la luz (12:45):
4. Ejercicios de la velocidad de la luz (6:24):
5. Ejercicios ondas electromagnéticas (4:17):
6. Ejercicio ondas electromagnéticas (5:18):
La teoría cuántica
Los trabajos de investigación llevados a cabo por J. C. Maxwell y H. R. Hertz respaldaron la naturaleza electromagnética de las ondas de luz, dando paso, además, a una variedad muy amplia de ondas electromagnéticas.
En 1887, Hertz observó que era posible hacer saltar una chispa eléctrica entre dos esferas cargadas si las superficies estaban iluminadas por un haz de luz. A este fenómeno se le conoce como fenómeno fotoeléctrico; enseguida, el video te ayudará a comprender en qué consiste y cómo se explica.
7. Efecto fotoeléctrico (7:25):
El fenómeno fotoeléctrico no podía ser explicado por la teoría de las ondas electromagnéticas de Maxwell. Max Planck publicó en 1901 su hipótesis cuántica en un intento de conciliar las observaciones experimentales con la teoría. El problema consistía en que se suponía, hasta entonces, que la energía se radiaba en forma continua.
8. Max Planck y la teoría cuántica (7:23):
https://www.youtube.com/watch?v=bm7FSHokRIA
Max Planck postuló, de acuerdo con Tippens (2011), que la energía se absorbía o emitía en paquetes discretos, llamados cuantos o fotones y que su contenido de energía era proporcional a la frecuencia de la radiación. (p. 649). La ecuación de Planck queda expresada como
En 1905, Albert Einstein interpretó la idea propuesta por Planck y fue capaz de predecir matemáticamente el fenómeno fotoeléctrico. Esta proposición concilió la teoría con la observación experimental.
Por tanto, se había llegado a la conclusión de que la luz poseía una naturaleza dual. La teoría ondulatoria puede utilizarse para explicar la propagación de la luz y la teoría corpuscular para describir la interacción de la luz con la materia. Podemos pensar que se comporta como energía radiante transportada por fotones y transmitida por un campo ondulatorio. (Tippens, 2011, p. 649).Cuando en 1913 Niels Bohr propuso su modelo atómico basado en la teoría cuántica, se pudo comprender de mejor manera el origen de los fotones de luz.
9. Modelo atómico de Bohr (5:00):
Ahora sabemos que el modelo atómico de Bohr no es totalmente correcto, sin embargo, en su momento permitió una mejor comprensión de la absorción y emisión de energía electromagnética en unidades cuánticas.
Conclusión
A lo largo de esta lección estudiamos la teoría corpuscular de la luz de Isaac Newton y la teoría ondulatoria, defendida por Christian Huygens; ambas teorías trataban de explicar las 3 principales características de la luz que se conocían a fines del siglo xvii, a saber, la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y la refracción. Ambas teorías explican exitosamente la propagación rectilínea y la reflexión; el fenómeno de la refracción de la luz inclinó la balanza en favor de la teoría ondulatoria.
Con los descubrimientos de la interferencia y difracción de la luz, parecía que se había confirmado el comportamiento de la luz como onda.
Los experimentos de J. C. Maxwell confirmó que la luz era un tipo de onda electromagnética, que todas las ondas electromagnéticas viajaban con la rapidez de la luz y que las ondas electromagnéticas constituían un amplio espectro en el que la luz visible correspondía a una región muy pequeña de este.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico solamente pudo ser explicado si se consideraba la luz como partículas, con lo cual quedó claro el comportamiento dual de la luz.
Hemos llegado al final de nuestra sesión en la que nos hemos concentrado en el conocimiento y comprensión de la naturaleza de la luz y el espectro electromagnético. Tu estudio pausado y reflexivo te permitirá un aprendizaje suficientemente profundo del fenómeno de la luz. Te aconsejo leer los textos y repasar los videos hasta que tengas una comprensión general que te permita explicar por ti mismo lo que es la luz. Trata de acudir con tu asesor en caso de dudas. Resuelve la consigna formulada para este tema; te invito a esforzarte para cumplir con este compromiso en tiempo y forma.
Vas avanzando bien. ¡Sigue adelante con entusiasmo!