CONTROVERSIA SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ

1. Desarrollo histórico de la controversia sobre la naturaleza de la luz. La descripción de la naturaleza de la luz no sólo fue un gran paso para el desarrollo del conocimiento científico, sino también un ejemplo de como se “hace” la ciencia así misma así como una clave para el avance tecnológico

Ideas de los antiguos griegos La luz sale del ojo humano, el sentido de la vista

El modelo corpuscular: ISAAC NEWTON (1704) Como la luz se propaga en linea recta y se refleja: ES UN CHORRO DE PARTÍCULAS

Paralelamente, la idea ondulatoria de HUYGENS (1695) La luz es una onda longitudinal similar al sonido

Las ideas de Newton tenía mucha más influencia en la comunidad científica, por lo que se aceptó en mayor medida la idea de Newton, pero... ¡¡¡Anda!!! Explica esto a ver si tienes...lo que hay que tener ¡!

Para enmendar este pequeño vacío en su teoría, Newton propuso que esas partículas viajaban mas rápido en el vidrio y en los líquidos, de ahí que se refractarán hacia dichos medios. Con este “remiendo” y el gran peso de la palabra de Newton, la comunidad científica aceptó la propuesta de Newton…que no tardaría en encontrase con más problemas

Modelo ondulatorio de Fresnel (La luz como onda transversal) (1815) Muchos fenómenos típicos de ondas también los manifiesta la luz además de la refracción... DIFRACCIÓN INTERFERENCIAS La difracción consiste en la desviación de la trayectoria rectilínea de una onda cuando ésta alcanza un obstáculo u orificio de tamaño igual o inferior a su longitud de onda. Así alcanza lugares que inicialmente parecen imposibles de alcanzar.

Polarización El fenómeno consiste en seleccionar el plano de vibración de una onda empleando una rendija cuya orientación puede cambiarse

es una onda transversal Es evidente que la luz es una onda transversal FRESNEL

La teoría corpuscular de Newton queda abandonada frente al modelo ondulatorio de Fresnel, que explica todos los fenómenos descritos hasta el momento. Sin embargo aún hay más puntos a favor de esta teoría...

Fizeau, determinación experimental de la velocidad de la luz C = 3,1 . 108 m/s

Queda demostrado en este experimento que la velocidad de la luz en el vacío es siempre mayor que en cualquier medio material, lo que falseaba la propuesta anterior de Newton e invalidaba hasta el momento la teoría corpuscular

JAME CLERK MAXWELL Maxwell unificó en una serie de ecuaciones la relación entre la interacción eléctrica y magnética que parecía ya evidente, definiendo así una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza, la electromagnética

Define las dependencias de E y B con el medio físico E = k q / r2 donde k refleja la dependencia con el medio, mediante ε0 ( 8,854 . 10-12 C/N.m2) Igualmente B dependía del medio mediante la permeabilidad magnética, μ0 (4π . 10-7 T.m/A)

Pero la conclusión más interesante resulta cuando tras trabajar con sus ecuaciones descubre el resultado de la siguiente operación: 1/ √(ε0 . μ0)

Tras comprobar esta relación y tomar las ideas de Fresnel, Maxwell describe la luz como una perturbación ondulatoria del campo eléctrico y magnético del espacio. Un campo eléctrico y magnético que varían sinusoidalmente en el espacio-tiempo, íntimamente ligados

NO NECESITAN UN MEDIO FÍSICO PARA VIAJAR, A DIFERENCIA DE LAS ONDAS MECÁNICAS

Como ondas, esos campos E y B pueden expresarse como: Que no son más que funciones de onda ya conocidas. Ambos campos se autoinducen y vibran perpendiculares entre sí y ambos perpendiculares a la dirección de propagación

Con una descripción matemática tan detallada de de la luz como una onda se explican perfectamente fenómenos anteriores como la refracción, reflexión, difracción, polarización... EL “IMPERIO” ONDULATORIO SE IMPONE AL CORPUSCULAR... (Ver relaciones entre E y B en el cuaderno)

Además podemos representarlas de otras maneras, por ejemplo pintando solo el campo E y visto desde frente. E La dirección de propagación en este caso sería perpendicular a la pantalla B

El espectro electromagnético La luz visible es un pequeño conjunto de radiaciones electromagnéticas a la que nuestro ojo es visible. Sin embargo existen otras muchas, que se clasifican según su f o λ en el ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Microondas

Otros fenómenos derivados del comportamiento de la luz como onda: DISPERSIÓN La Luz blanca está formada por múltiples radiaciones electromagnéticas (COLORES) todas ellas caracterizadas por un valor de f.

n1 sen θi = n2 sen θr Ley de Snell Ese valor de f es invariable de manera que al pasar a otro medio (REFRACCIÓN) los valores de λ y v cambiarán para que su cociente siga valiendo f. Consecuentemente cada COLOR tendrá su velocidad particular en dicho medio, es decir, su propio ÍNDICE DE REFRACCIÓN, n El ángulo de desviación depende del n n1 sen θi = n2 sen θr Ley de Snell

Si cada color tiene un n determinado en un material, cada uno sufrirá una desviación diferente, la luz blanca se separará en sus colores al pasar del aire a un medio determinado como puede ser el vidrio de un prisma

GOTAS ALTAS DEL HORIZONTE GOTAS BAJAS DEL HORIZONTE

EL OSCILADOR-RESONADOR La demostración experimental que corroboró la posibilidad de que una perturbación electromagnética podía viajar en el espacio tal y como propuso Maxwell (como por ejemplo la luz) la realizó Hertz: EL OSCILADOR-RESONADOR

El efecto fotoeléctrico Descubierto experimentalmente por Hertz, consiste en que al irradiar una superficie metálica con luz de cierta frecuencia, f, dicha superficie emite electrones Superficie metálica e- 33

Otras peculiaridades del fenómeno - El fenómeno solo sucedía cuando la radiación tenía una frecuencia mínima, f0, a la que Hertz llamó FRECUENCIA UMBRAL. Si la radiación tenía frecuencia f < f0 , el fenómeno no sucede. - Si f > f0, los electrones son emitidos con cierta energía cinética extra -Al aumentar la INTENSIDAD DE LA LUZ, aumenta el nº de electrones emitidos, pero no su Ec

El fenómeno NO es explicable mediante la idea ondulatoria de la luz, pues hay “transporte” de materia, lo cual NO es propio de las ondas... 35

Para dar una explicación a este fenómeno era necesario retomar la idea corpuscular de la luz propuesta por Newton. Así lo hizo ALBERT EINSTEIN, añadiendo a esta propuesta la idea de cuantización de la energía que en ese momento había introducido MAX PLANCK

¡La luz está formada por partículas cuya energía está CUANTIZADA! A estas partículas que forman la luz les llamó FOTONES, y cuya energía es E fotón = h . f 37

Explicaciones a las características del fenómeno El fotón colisiona con el electrón y tiene lugar una transferencia de energía (cantidad de movimiento) entre fotón y electrón. e-

E fotón = W EXT + Ec electrón A la energía MÍNIMA necesaria para extraer el electrón se llama TRABAJO DE EXTRACCIÓN, WEXT: WEXT = h . f0 De esta manera, si el fotón tiene una energía superior al WEXT, la energía “sobrante” se transforma en Ec del electrón emitido. Así podemos escribir: E fotón = W EXT + Ec electrón o bien h . f = h. f0 + Ec electrón

Cuando aumentamos la intensidad de la luz, solo aumenta el número de fotones que llegan, por tanto solo aumenta el número de electrones emitidos pero no su energía cinética.

¿EN QUÉ QUEDAMOS ENTONCES?

Es evidente que todo depende del fenómeno que estemos estudiando, de manera que ninguna de las dos concepciones explica de forma absoluta todos los fenómenos luminosos

La luz tiene una naturaleza dual onda-corpúsculo, manifiesta o un comportamiento u otro pero NO los dos de manera simultánea.