Naturaleza de la Luz Onda o Partícula- Teorías Fisicas

FÍSICA: TEORÍA ONDULATORIA Y CORPUSCULAR

La Naturaleza de la Luz

LA CURIOSIDAD DEL HOMBRE: Un hombre de ciencia destina una buena parte de su tiempo en pensar "qué pasaría si ...".

¿ ... si alguien inventara algo para bloquear nuestra gravedad?.

¿ ... si la luz fuera a la vez una partícula y una onda?.

¿ ... si hubiera un mundo de antimateria?.

¿ ... si el Universo que ahora parece expandirse, se contrajera en el futuro?

El investigador científico plantea la pregunta fundamental:

¿Qué clase de Universo es éste donde yo vivo?

Es muy improbable que alguna vez llegue el tiempo en que ios humanos agoten sus preguntas respecto a la naturaleza del Universo.

Recordemos que Newton se comparaba a sí mismo con un niño jugando con guijarros y conchas en una playa, mientras el "gran océano de la verdad estaba sin ser descubierto" delante de él.

El científico siempre trabaja en las orillas del "gran océano de la verdad", esforzándose en descubrirle cada vez más.

A principios del siglo XX, algunos de los que se preguntaba:

"qué pasaría si . . ." expusieron ideas que, al principio, se veían tan imposibles como la afirmación de que la gente viviría felizmente en el centro de la Tierra.

Al investigar estas ideas aprendieron mucho sobre la orilla del océano de la verdad.

Una de las preguntas más importantes fue estimulada por el estudio de la luz, en particular, de los espectros:

¿Es posible que la luz sea a la vez una onda y una partícula?.

Las consecuencias de esta pregunta han mantenido ocupados a los científicos por más de cincuenta años.

Otras preguntas, relacionadas algunas con el problema de la onda-partícula y otras muy diferentes, han surgido en la actualidad.

La Física no está completa.

El hombre está aún en la playa de Newton, tratando de comprender el océano que está delante de él.

Ahora analizaremos lo relativo a la onda-partícula y también introduciremos algunas otras preguntas para las que están buscando respuestas los científicos actuales.

Como las teorías modernas con relación a la luz no son completas, se van agregando nuevas ideas.

Sin embargo, una piedra angular de la teoría moderna es que la luz se propaga como ondas, que tienen muy corta longitud de onda.

• PRIMERAS INTERPRETACIONES:

El hombre es capaz de ver los objetos que lo rodean debido a la luz que, procedente de ellos, llega a sus ojos.

Los objetos brillantes, tales como el Sol o una llama luminosa, emiten su propia luz.

Todos los demás son visibles a causa de la luz que reflejan.

Un grupo de filósofos griegos del siglo IV a. de J. C. interpretó este hecho diciendo que la luz estaba formada por diminutos corpúsculos, emitidos por los objetos visibles y recibidos por el ojo humano.

Esta hipótesis estaba en contradicción con las ideas postuladas por otra escuela del pensamiento griego, que interpretaba el mecanismo de la visión como productos de unos invisibles rayos, emitidos por el propio ojo para sondear sus alrededores.

Los rayos de luz obedecen a reglas muy simples, algunas de las cuales eran ya conocidas por los antiguos griegos.

Así, por ejemplo, sabían que la luz sigue siempre trayectorias rectilíneas, empleando el menor tiempo posible en recorrer la distancia existente entre dos puntos.

Del mismo modo, se sabía entonces que la luz era reflejada por la superficie del agua, o por una superficie metálica pulimentada, y se interpretó el fenómeno diciendo que los rayos luminosos, al llegar a estas superficies, sufrían un brusco cambio de dirección.

También era conocida en aquella época la ley de la reflexión, es decir, que el ángulo, respecto a la normal, con que el rayo luminoso incide en la superficie, es igual al ángulo que forma, con dicha normal, el rayo reflejado.

Las lentes de vidrio y cuarzo eran también conocidas, así como las desviaciones que producían en los rayos de luz que las atravesaban.

En este sentido, los griegos utilizaron el poder que poseen las lentes de concentrar la luz, y el calor a que ésta da lugar, par» encender fuego, por ejemplo.

Nada nuevo fue descubierto en este campo hasta la Edad Media, en que se construyeron lentes especiales para ser utilizadas como lupas.

Un siglo después empezaron a emplearse las lentes para corregir los defectos de la visión humana, así como en la construcción de los telescopios astronómicos que utilizaron Galileo, Kepler y otros astrónomos. Leeuwenhoek las usó también para construir el primer microscopio.

Científicos del Espacio

En todos estos instrumentos, los rayos de luz sufren una desviación al pasar del aire al vidrio, o viceversa.

La ley que gobierna esta desviación, propuesta primeramente por Willebrord Snell, en 1621, es la ley de la refracción.

LA LUZ COMO ONDA O COMO PARTÍCULA:

Las leyes de la reflexión y de la refracción son las dos leyes básicas por las que se rigen los rayos luminosos.

Una vez descubiertas, faltaba una teoría, acerca de la naturaleza de la luz, que las explicase.

Surgieron entonces dos distintas: la ondulatoria y la corpuscular.

Los principios de la teoría ondulatoria fueron expuestos por Robert Hooke en 1607; éste comparó las ondas formadas en la superficie del agua cuando una piedra cae en ella, con el tipo de perturbación que se origina en un cuerpo emisor de luz.

Ésta debía tener su origen en algún tipo de vibración producida en el interior del cuerpo emisor y, consecuentemente, se propagaría en forma de ondas.

Hooke formuló estas ideas después de haber descubierto el fenómeno de la difracción, que hace aparecer iluminadas ciertas zonas que deberían ser oscuras.

Encontró la explicación observando detenidamente el comportamiento de las ondas formadas en la superficie del agua.

En 1676, Olaus Roemer, considerando el carácter ondulatorio de la luz, pensó que ésta no podía tener una velocidad infinita, y se dispuso a medir la velocidad de las ondas luminosas.

Observando los eclipses de las lunas de Júpiter notó que, cuando la Tierra se encontraba a la máxima distancia de dicho planeta, estos eclipses se retrasaban unos 15 minutos.

Ello quería decir que la luz empleaba este tiempo en recorrer la distancia adicional. Según este método, Roemer obtuvo para la velocidad de la luz un valor de 3.100.000 Km./seg., muy cercano al valor actual aceptado, que es de 2,990.000 Km./seg.

• TEORÍA ONDULATORIA:

Las leyes de la óptica se pueden deducir a partir de una teoría de la luz más sencilla pero de menores alcances propuesta en 1678 por el físico holandés Christian Huygens.

Esta teoría supone simplemente que la luz es un fenómeno ondulatorio y no una corriente de partículas, pongamos por caso.

No dice nada de la naturaleza de las ondas y, en particular —puesto que la teoría del electromagnetismo de Maxwell no apareció sino un siglo más tarde— no da ninguna idea del carácter electromagnético de la luz.

Huygens no supo si la luz era una onda transversal o longitudinal; no supo las longitudes de onda de la luz visible, sabía poco de la velocidad de la luz.

No obstante, su teoría fue una guía útil para los experimentos durante muchos años y sigue siendo útil en la actualidad para fines pedagógicos y ciertos otros fines prácticos.

No debemos esperar que rinda la misma riqueza de información detallada que da la teoría electromagnética más completa de Maxwell.

La teoría de Huygens está fundada en una construcción geométrica, llamada principio de Huygens que nos permite saber dónde está un frente de onda en un momento cualquiera en el futuro si conocemos su posición actual; es:

Todos los puntos de un frente de onda se pueden considerar como centros emisores de ondas esféricassecundarias.

Después de un tiempo t, la nueva posición del frente de onda será la superficie tangencial a esas ondas secundarias.

Ilustraremos lo anterior con un ejemplo muy sencillo:

Dado un frente de onda en una onda plana en el espacio libre, ¿en dónde estará el frente de onda al cabo de un tiempo t?.

De acuerdo con el principio de Huygens, consideremos varios puntos en este plano (véanse los puntos) como centros emisores de pequeñas ondas secundarias que avanzan como ondas esféricas.

En un tiempo t, el radio de estas ondas esféricas es ct, siendo c la velocidad de la luz en el espacio libre.

El plano tangente a estas esferas al cabo del tiempo t está representado por de. Como era de esperarse, es paralelo al plano ab y está a una distancia ct perpendicularmente a él.

Así pues, los frentes de onda planos se propagan como planos y con una velocidad c.

Nótese que el método de Huygens implica una construcción tridimensional y que la figura es la intersección de esta construcción con el plano de la misma.

"En la reflexión el ángulo de incidencia de una onda o rayo es igual al ángulo de reflexión, ósea en este caso i=r.

Ambos rayos siempre se encuentran contenidos en un mismo plano."

Llamamos refracción de la luz al fenómeno físico que consiste en la desviación de un rayo de luz al pasar de un medio transparente a otro medio también transparente.

Un ejemplo diario es cuando miramos un lapiz dentro de un vaso de agua.

"El cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante para todos los rayos reflactados. Todos los rayos, incidentes y reflactados se encuentran en un mismo plano"

NACE LA TEORÍA CORPUSCULAR:

La teoría de Hooke se vio pronto derrotada por las ideas de Isaac Newton, quien propuso otra teoría corpuscular corregida.

En su famoso libro titulado "Óptica", éste describió un gran número de experimentos dirigidos a explicar el comportamiento de la luzen todos sus aspectos, entre los que se destacaba la descomposición de la luz en sus distintos colores, al atravesar un prisma.

De acuerdo con la teoría corpuscular, Newton explicó los diferentes colores del espectro, mediante la existencia de distintos corpúsculos.

En el curso de sus elaborados experimentos, Newton descubrió el fenómeno de la difracción y el de la interferencia.

Dos rayos de luz, ambos procedentes del Sol, y convenientemente separados para que sus recorridos fuesen diferentes, producían anillos luminosos, oscuros y coloreados (llamados anillos de Newton), cuando se los hacía pasar a través de la lente de un telescopio.

Hooke había descrito antes la formación de irisaciones en las pompas de jabón, pero fue incapaz de explicar el fenómeno.

Tanto la debían a la interferencia de dos ondas luminosas, de recorridos ligeramente distintos.

El fenómeno de la difracción casi destruyó la ingeniosa interpretación corpuscular.

Newton había llegado a los mismos resultados que Hooke, tras llevar a cabo experimentos muy cuidadosos: una pequeña porción de luz se extendía por una región que, seguía teoría corpuscular, debía permanecer totalmente a oscuras.

Este hecho era, exactamente, lo que había predicho la teoría ondulatoria de la luz debida a Hooke.

El físico holandés Christian Huygens sentó las bases más generales de esta teoría, al explicar con todo detalle la propagación de los movimientos ondulatorios.

Se estableció entonces una agitada controversia entre los partidarios de una y otra teoría, que quedó de momento sin resolver, debido a la carencia de aparatos lo suficientemente exactos que proporcionasen datos experimentales decisivos.

En 1801, Thomas Young asestó un terrible golpe a la teoría corpuscular con su experimento acerca de las interferencias; según éste, se producían franjas luminosas y oscuras que sólo podían ser explicadas aceptando que la luz tenía un carácter ondulatorio.

El descubrimiento del fenómeno de la polarización, debido a Augustín Fresnel, en 1816, significó un nuevo apoyo en favor de la teoría ondulatoria. Según ella, la luz polarizada estaba compuesta por ondas que vibraban en un solo plano.

Tanto las ondas sonoras como las que se forman en el agua necesitan un medio para poder propagarse.

Durante todo el siglo xix se consideró que las ondas luminosas eran perturbaciones producidas en el éter, sustancia invisible que lo invadía todo, incluso el espacio "vacío".

Clerk Maxwell llevó a cabo un tratamiento matemático de las ondas luminosas, demostrando que éstas eran un tipo dé radiación electromagnética, y similares, por tanto, a las ondas de radio. Una pregunta quedaba por hacer: ¿era necesaria la existencia del éter para la propagación de las radiaciones electromagnéticas?.

En seguida se pusieron en acción numerosos dispositivos experimentales, para tratar de demostrar su existencia; entre ellos puede señalarse el de Oliver Lodge —que constaba de dos discos que giraban muy próximos—, con el que trató de verificar si el éter ejercía algún tipo de fricción.

Las observaciones astronómicas sugerían que si, de verdad, existía el éter y éste envolvía la Tierra, no debía de girar con ella, pues, de otro modo, su rotación habría afectado las observaciones de los telescopios.

Los estadounidenses Michelson y Morley realizaron una serie de experimentos para determinar el retraso de la rotación del éter con respecto a la de la Tierra, encontrando que era igual a cero.

El éter, por tanto, permanecía estacionario, o no existía, o la luz se comportaba de un modo peculiar.

De esta forma se llegó a la conclusión de que esta sustancia tan tenue, que tanta resistencia había opuesto a ser detectada, no era más que un ente hipotético.

El éter era una complicación innecesaria.

La luz se comportaba de un modo peculiar cuando se trataba de medir su velocidad, ya que mantenía una propagación siempre igual.

Este resultado condujo a Albert Einstein a formular su teoría de la relatividad, basada en la constancia de la velocidad de la luz.

La idea corpuscular es quizá la mejor forma de representarnos un rayo de luz. Los corpúsculos viajan en línea recta, ya que tienden siempre a desplazarse entre dos puntos por el camino más corto posible.

Los cuerpos muy calientes, como el Sol o el filamento de una lampina eléctrica, emitirían un chorro de diminutas partícula.

Los demás cuepos se ven debido a que reflejan algunos de los corpúsculos que los golpean.

El cuerpo humano no emite corpúsculos luminosos propios, pero se hace visible cuando refleja los corpúsculos en los ojos de las personas que están mirándolo.

De acuerdo con la teoría corpuscular, toda la energía luminosa que llega a la Tierra, procedente del Sol, es transportada por corpúsculos.

Las teorías modernas sobre la naturaleza de la luz sugieren que es, en realidad, un conjunto de diminutas partículas emitidas por cuerpos calientes, como el Sol.

Pero existe una sutil diferencia entre la moderna partícula luminosa, llamada fotón, y la versión antigua, el corpúsculo, consistente en que el fotón no transporta energía, sino que es energía.

Podemos pensar en un fotón como en un paquete de energía.

Es diferente a todas las demás clases de energía, ya que existe sólo en movimiento.

Cuando se desplaza a sus velocidades normales, aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, los fotones se comportan como un trozo ordinario de materia.

Pueden entrar en colisión con partículas, tales como electrones y protones, y desviarlos, del mismo modo que si fueran partículas normales.

En los fotómetros fotoeléctricos, empleados en fotografía;, los fotones que golpean un trozo de metal sensible a la luz liberan electrones de él.

Estos electrones forman una corriente eléctrica que mueve una aguja, indicando la intensidad de la luz.

Se ha descubierto que un fotón libera un electrón.

Los electrones son partículas y se liberan por los fotones que se comportan como partículas. Isaac Newton fue defensor de la vieja teoría corpuscular, la cual, debido a su influencia, dominó durante el siglo XVIII.

La teoría moderna de los fotones fue consecuencia del trabajo de Alberto Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, en el año 1905.

Sigamos ahora con esta nueva visión física del fenómeno.

NUEVA VISIÓN CORPUSCULAR: EINSTEIN Y LOS CUANTOS DE LUZ (los fotones)

Cuando la luz choca con una superficie metálica sensible provoca un desprendimiento de electrones.

En 1905, Alberto Einstein, examinando ese efecto (efecto fotoeléctrico), llegó a la conclusión de que las cosas sucedían como si la luz estuviese compuesta de pequeñas partículas (posteriormente denominadas cuantos).

Cada cuanto de luz provocaba la liberación de un electrón. Con ello se volvía de nuevo a los postulados de la teoría corpuscular.

En el segundo decenio de nuestro siglo, Louis de Broglie propuso una arriesgada teoría: la luz posee una doble personalidad: unas veces se comporta como ondas y otras como partículas.

La teoría actualmente aceptada sugiere que la luz es algo aún más indefinido.

Su comportamiento es regido por leyes estadísticas (mecánica ondulatoria).

Para demostrarlo, podemos, por ejemplo, utilizar el experimento de Young sobre la formación de las interferencias, sólo que, en este caso, se emplea un haz luminoso de intensidad muy débil.

Haciéndolo pasar a través de dos aberturas convenientemente situadas, se hace llegar la luz a una placa fotográfica.

En principio, hemos de esperar que cada cuanto de luz que llegue a la placa ennegrecerá una molécula de la emulsión que la recubre.

Si el haz luminoso es lo suficientemente débil, al comienzo de la operación parece como si los electrones que llegan a la placa pudieran chocar con cualquier parte de ella; pero esto es algo muy fortuito.

A medida que pasa el tiempo, sin embargo, puede verse como las partes mas ennegredecidas van concentrándose gradualmente.

Estas zonas son, precisamente, aquellas donde nan de producirse las franjas luminosas de interferencia.

Según las modernas teorías, estas zonas son las que tienen mayor probabilidad de ser alcanzadas por la luz, de manera que sólo cuando el número de cuantos que llegan a la placa es suficientemente grande, las teorías estadísticas alcanzan el mismo resultado que las teorías clásicas.

Fuente Consultada:
FISICA I Resnick-Holliday
TECNIRAMA Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnología

Enlace Externo: Huygens y la Naturaleza de la Luz

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