Primeras Teorías Científicas sobre la Luz: ¿Partículas u Ondas?

En el siglo XVII, aparecieron las primeras teorías científicas sobre la naturaleza de la luz:

• Teoría Corpuscular (Newton, 1704): Isaac Newton propuso que los focos luminosos emiten pequeñas partículas que se propagan en línea recta en todas las direcciones y que pueden tener distintos colores. Cuando llegan a un cuerpo, este las puede absorber, reflejar o transmitir. Esta teoría explica la existencia de cuerpos de distintos colores (según sean opacos o transparentes a los corpúsculos de ciertos colores), la reflexión (cuando la luz llega a la superficie de separación entre dos medios) y la refracción (cuando la luz también se puede propagar en el segundo medio).
• Teoría Ondulatoria (Huygens, 1690): Christiaan Huygens propuso que la luz tiene naturaleza ondulatoria, como el sonido. Esta teoría explica la reflexión y la refracción de la luz, pero obliga a admitir que la luz se mueve más lentamente en el agua.

En esta época, se apoyó más la teoría de Newton, pero los descubrimientos realizados más tarde demostraron que la teoría ondulatoria era más adecuada en muchos aspectos.

La Doble Naturaleza de la Luz: Corpuscular y Ondulatoria

Los estudios realizados por Max Planck sobre la radiación térmica de los cuerpos y los de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico demostraron que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos de energía llamados fotones. Más tarde, Louis de Broglie afirmó que las partículas en movimiento llevan una onda asociada. Como consecuencia, la luz tiene una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria. Dependiendo del fenómeno que se estudie, mostrará una u otra naturaleza.

Reflexión de la Luz

Cuando un rayo de luz llega a la superficie de separación entre dos medios, se produce la reflexión, y la luz se propaga en el mismo medio, pero en sentido opuesto.

Leyes de la Reflexión

• El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales.

Para que se aprecie la reflexión (reflexión especular), la superficie contra la que incide el rayo debe ser especular, lo cual requiere que sus irregularidades sean pequeñas en relación con la longitud de onda de la radiación. En caso contrario, si las irregularidades son mayores, tendremos una reflexión difusa. La reflexión difusa nos permite apreciar los bordes de los objetos y conocer su forma.

Refracción de la Luz

Cuando un rayo de luz llega a la superficie de separación entre dos medios y se puede propagar en el segundo, parte de la energía que transporta se transmite a través de este último. Este fenómeno se denomina refracción.

Leyes de la Refracción

• El rayo incidente, el refractado y la normal están en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia y el de refracción se relacionan con la velocidad de propagación de la luz en ambos medios: sen(i) / v_incidente = sen(r) / v_refractada.

Se denomina índice de refracción de un medio a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en cualquier otro medio: n = c / v. De aquí obtenemos la Ley de Snell: n_incidente * sen(i) = n_refractado * sen(r).

Reflexión Total y Ángulo Límite

Habitualmente, cuando un rayo de luz llega a la superficie de separación entre dos medios y se puede propagar por el segundo, parte de la energía del rayo incidente se refleja (formando un nuevo rayo que se mueve por el mismo medio inicial) y parte se propaga en el segundo medio (formando un rayo refractado). Los rayos incidente, reflejado y refractado forman con la normal los ángulos que determinan las leyes de la reflexión y la refracción.

Cuando el rayo incidente se propaga en un medio más refringente (mayor n) que el rayo refractado (menor n), se aleja de la normal. Se puede hacer que el ángulo de incidencia sea tal que el ángulo de refracción sea de 90º. Para un ángulo de incidencia mayor, no habrá fenómeno de refracción y se producirá reflexión total.

Se denomina ángulo límite o ángulo crítico al mayor ángulo que puede formar un rayo incidente con la normal para que se produzca refracción. Un ángulo de incidencia mayor que el ángulo límite produce reflexión total. Para que suceda este fenómeno, el rayo de luz debe pasar por un medio más refringente a otro menos refringente; por ejemplo, del agua o el vidrio al aire.

La Fibra Óptica

La fibra óptica está formada por pequeños cables de fibra de vidrio en cuyo interior se produce la reflexión total de un haz de luz, lo que determina que la información visual pueda viajar por su interior casi sin pérdidas, aunque se doble la fibra. Esto permite interesantes aplicaciones:

• En medicina, se emplean cámaras para ver lo que sucede en órganos internos del cuerpo humano (endoscopias).
• En telecomunicaciones, la fibra óptica se utiliza para transmitir información a grandes distancias o para transmitir sonido digital con una excelente calidad, sin pérdidas.
• Hay adornos y árboles de Navidad en cuyos extremos la fibra de vidrio muestra la luz de una lámpara que está en su interior.

Refracción de un Prisma y Dispersión de la Luz

Cuando la luz del sol atraviesa un prisma, observamos su descomposición en los colores del arcoíris. La razón estriba en que la luz del sol es el resultado de otras radiaciones más simples. En el aire, todas se propagan a la misma velocidad, por eso apreciamos el efecto conjunto, que es la luz blanca. Pero en un medio diferente, cada radiación se desplaza a una velocidad propia, lo que hace que sus ángulos de refracción sean diferentes. El fenómeno se repite al salir de la segunda cara, lo que incrementa la separación entre las radiaciones y permite que se aprecien los colores de forma diferenciada.

Se llama dispersión al proceso que separa un conjunto de entes físicos que se propagan juntos. El prisma produce la dispersión de la luz. Se produce difracción cuando una onda atraviesa una ranura o se encuentra con un obstáculo de tamaño comparable a su longitud de onda.

El Efecto Fotoeléctrico

Se llama efecto fotoeléctrico al fenómeno mediante el cual la luz, al incidir sobre un metal, le arranca electrones. El físico Philipp Lenard realizó experiencias para intentar comprender el fenómeno y comprobó que:

• Para que una radiación provoque la aparición de los fotoelectrones, debe tener una frecuencia mínima, denominada frecuencia umbral, cuyo valor depende del material que forme el cátodo. Si la radiación que ilumina el cátodo tiene una frecuencia inferior a la umbral, no se producirán fotoelectrones por muy elevada que sea su intensidad.
• Si la radiación que ilumina el cátodo tiene una frecuencia superior a la frecuencia umbral, se producirán fotoelectrones que darán lugar a una corriente que detectará el amperímetro. La intensidad de corriente es proporcional a la intensidad de radiación con que iluminamos, con independencia de lo elevada que sea su frecuencia.
• Modificando el voltaje externo, podemos invertir la polaridad de las placas y lograr que, aunque la radiación luminosa consiga arrancar fotoelectrones, estos no lleguen a la placa colectora. Al mínimo potencial que logra este efecto se le llama potencial de frenado. El valor del potencial de frenado depende de la frecuencia de radiación incidente.

Trabajo de Extracción

Se llama trabajo de extracción a la energía mínima que deben tener los fotones de radiación que provoca el efecto fotoeléctrico.

Defectos de la Visión

Punto Próximo

Se llama así a la menor distancia a la que se puede encontrar un objeto que produce una imagen nítida en la retina. Su valor está en torno a los 25 cm, aunque varía con cada persona y su edad.

Miopía

Las personas miopes tienen el cristalino más convergente de lo normal. Enfocan bien los objetos cercanos, pero los rayos procedentes de los lejanos convergen en un punto anterior a la retina, por lo que la imagen que se forma en esta es borrosa. La miopía se corrige con una lente divergente que hace que el foco del conjunto lente + cristalino se sitúe sobre la retina.

Hipermetropía

Las personas hipermétropes tienen el cristalino menos convergente de lo normal. El foco de los objetos lejanos está más allá de la retina. Ven bien los objetos lejanos, pero ven mal los próximos, ya que cuando los rayos refractados llegan a la retina aún no han convergido. Se corrige con una lente convergente que hace que el foco del conjunto lente + cristalino se sitúe sobre la retina.

Astigmatismo

Las personas con astigmatismo tienen habitualmente una córnea deformada, con curvatura vertical diferente de la horizontal. Esto hace que no enfoquen correctamente los objetos cercanos ni lejanos, pues la luz procedente de un objeto que entra en la córnea en lugares diferentes se enfoca en zonas distintas. Se corrige con lentes cilíndricas, no esféricas.

La Radiación Térmica Emitida por un Cuerpo Negro

Un cuerpo negro es un cuerpo que solo emite la radiación debida a su estado térmico. Cualquier otra radiación que llegue a ese cuerpo es absorbida por él. Una buena aproximación es un objeto hueco con un orificio, de forma que cualquier radiación que penetre desde el exterior sufra reflexiones que solo la lleven de nuevo hacia el interior o sean absorbidas.

Cuando un objeto de hierro se calienta, desprende calor. Si se sigue calentando, primero se pone brillante, luego rojo y, por último, blanco. El calor es fruto de la radiación electromagnética emitida. Para llevar a cabo el estudio de la radiación térmica emitida con independencia del cuerpo, se ideó trabajar con un cuerpo negro. Se entiende como tal un cuerpo cuyas paredes absorben cualquier radiación que les llegue.

Stefan estableció la expresión que relaciona la energía emitida por un cuerpo negro con su temperatura: dE/dt = σ * S * T⁴

Ley de Desplazamiento de Wien

En un estudio del espectro de la radiación térmica emitida por un cuerpo negro, Wien encontró que:

• El cuerpo emite radiación de toda una serie de longitudes de onda.
• La intensidad de la radiación emitida aumenta con la temperatura.
• A medida que se eleva la temperatura, se aprecia una zona del espectro en que la intensidad de las radiaciones emitidas es mayor.
• La longitud de onda de la radiación que se emite con mayor intensidad es menor cuanto mayor es la temperatura absoluta del cuerpo. (Fórmula y gráfica, *se deben añadir*)

La Interpretación de Planck

Algunos físicos trataron de encontrar una fórmula matemática que justificase el espectro de emisión térmica del cuerpo negro, pero no lo hicieron con éxito. Este hecho se conoció como la «catástrofe del ultravioleta».

Tras otros intentos, Max Planck supuso que en la materia existen pequeños osciladores que vibran con determinadas frecuencias, absorbiendo y emitiendo energía en forma de ondas electromagnéticas. Cada oscilador solo puede absorber o emitir energía que sea un múltiplo entero de su energía básica, una energía que es directamente proporcional a su frecuencia natural de oscilación: E = h * ν.

La energía que puede absorber o emitir un oscilador es: E = n * h * ν. Cada oscilador se puede encontrar en distintos estados cuánticos, correspondientes a los diversos valores de n. Cuando el oscilador pasa de un estado cuántico a otro, absorbe o emite la energía que resulta de la diferencia entre ellos. Esta unidad de energía básica se llama cuanto de energía o fotón. E = h * c / λ

Naturaleza de las Ondas Electromagnéticas

Por combinación de las leyes de Maxwell, se obtuvo una ecuación para el campo eléctrico y otra para el magnético. En el vacío y en ausencia de corriente eléctrica, estas ecuaciones son análogas a la ecuación general de propagación de una onda. Maxwell encontró que este campo eléctrico y el magnético se propagan en el vacío con un movimiento ondulatorio cuya velocidad de propagación es la velocidad de la luz.

Origen de las Ondas Electromagnéticas

Existen dos formas de originarlas:

1. Cuando una carga eléctrica está acelerada, origina una onda electromagnética.
2. Mediante un circuito oscilante formado por una bobina y un condensador.

Podemos explicar la propagación de una onda electromagnética del siguiente modo: si en un punto del espacio existe un campo magnético variable en el tiempo, por la tercera ley de Maxwell, en un punto en sus proximidades se induce un campo eléctrico variable con el tiempo, siendo ambos de la misma frecuencia. Pero, por la cuarta ecuación de Maxwell, un campo eléctrico variable crea a su alrededor un campo magnético variable, que a su vez crea otro eléctrico variable, y así sucesivamente.