Luz y óptica

¿Qué es la luz? La luz es una radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano, la luz esta formada por pequeñas partículas elementales que no poseen masas, estas son llamadas fotones. Para explicar el comportamiento físico de luz se asume que esta posee una dualidad onda-corpúsculo

Historia de la luz Herón de Alejandría(70 d.C) plantea que la rapidez de la luz es infinita, ya que cuando abrimos los ojos vemos las estrellas de inmediato. Ptolomeo(170 d.C) mide el ángulo de refracción pero no descubre la ley de Snell. Euclides(300 d.C) afirma que la luz viaja en línea recta y lo prueba.

Historia de la luz Alhacén(900) afirma que los objetos no tienen luz propia sino que la reflejan, creo el primer prototipo de cámara, denominada la cámara oscura Galileo(1667)construye un experimento y prueba que la luz es infinita Roemer (1675 ) calcula la velocidad de la luz utilizando el periodo del satélite de júpiter (214.000 km/s)

Historia de la luz Pierre de Fermat(1680) afirma que la luz se transporta de un punto a otro en un punto mínimo Huygens (1690) dice que la luz es una onda mecánica y que necesita una sustancia llamada éter para viajar(teoria ondulatoria) Newton(1704 ) asevera que la luz esta formada por corpúsculos, formada por pequeñas partículas con masa y viajan en línea recta(teoria corpuscular)

Historia de la luz James Bradley(1729) intentó medir la distancia de una estrella observando su orientación en 2 momentos del año, con el mov. de traslación obtuvo una triangulación. Visualizo un problema entre las distancias que explico con la aberración estelar, tres años mas tarde observaba Draco y obtuvo la velocidad de la luz(301.000 km/s Albert Michelson (1880) demostró que los rayos de luz enviados en diferentes direcciones desde la tierra se reflejan a la misma velocidad James Maxwell(1873 ) concluye que la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío de manera continua

Historia de la luz Max Planck (1918) determina que la luz es una onda electromagnética discontinua y esta compuesta por numerosos paquetes de energía llamados cuantos Louis de Broglie (1925 ) confirma que la luz presenta una dualidad, que en ocasiones se presenta en forma de onda y en otras como partícula Momentum de la partícula

Energía de un fotón.

Efecto fotoeléctrico.

Longitud de onda de De Broglie.

El efecto Compton

Momentum de un fotón

Indeterminación cuántica

Espectro electromagnético Maxwell concluyo que la luz era una onda electromagnética, dependiendo de la energía de la onda, puede clasificarse según el tipo de radiación

Propagación rectilínea de la luz La luz se propaga en línea recta, algo que fue propuesto desde Euclides en adelante. La formación de sombra y penumbra es la prueba de este hecho. La penumbra se cumple por difracción Si la fuente luminosa es grande respecto al objeto. Caso 1 Si la fuente luminosa es pequeña respecto al objeto. Caso 2

Propiedades ondulatorias de la luz -Reflexión Reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca con un objeto y "rebota" La reflexión de la luz hace posible que veamos objetos que no emiten luz propia. Leyes de la reflexión - Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano. - Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Aplicación de la reflexión La india siempre ha sido un lugar artífice de la ciencia, en el S.X Alhacén realiza lo que seria la primera referencia de la cámara fotográfica, la cámara oscura, se define como aparato óptico con un orificio en una de sus paredes a través del cual pasan los rayos luminosos, que forman una imagen invertida de los objetos exteriores sobre la pared opuesta.

Aplicaciones de los espejos

Propiedades ondulatorias de la luz -Refracción Es el cambio de dirección que sufre la luz cuando pasa de una sustancia transparente a otra. Ejemplo, el aire, a otro, como el agua. La cuchara en un vaso con agua se ve como si estuviese rota, esto es debido a la refracción

Aplicación de la refracción El arcoíris es un fenómeno de la naturaleza inexplicable para muchos, sin embargo esta propiedad de la luz es la que permita que este sucede El sol emite los rayos luminosos y al llegar a la gota de agua al ser un medio transparente la luz se refracta y se produce toda la gama de colores del arcoíris

Propiedades ondulatorias de la luz Difracción Es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija.

Aplicación de la difracción La cristalografía de rayos X es una técnica experimental para el estudio y análisis de materiales, basada en el fenómeno de difracción de los rayos X por sólidos en estado cristalino.

Propiedades de la luz -Interferencia Es un fenómeno en el que dos o más ondas se fusionan para formar una onda resultante de mayor, menor o igual amplitud.

Aplicación de la interferencia La interferencia de la luz da lugar a muchos fenómenos de la vida cotidiana, como los brillantes colores reflejados en las pompas de jabón y en las delgadas películas oleasas en el agua, o los colores que observamos cuando el pavimento esta húmedo, eso es porque 2 ondas luminosas se superponen en en el mismo plano

Propiedades de la luz Polarización Es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

Aplicación de la polarización Un ejemplo claro de la polarización en la vida cotidiana es el cine 3D, donde las imágenes son proyectadas, o bien por dos proyectores diferentes con filtros de polarización ortogonalmente orientado Las gafas con filtros polarizadores orientados de modo similar a los planos de polarización de las imágenes proyectadas aseguran que cada ojo reciba sólo la imagen correcta.

Propiedades de la luz El efecto Doppler Es el cambio observado en la frecuencia de la luz procedente de una fuente en movimiento relativo con respecto al observador.

¿Cómo se forman los colores? Las ondas forman, según su longitud de onda, distintos tipos de luz, como infrarroja, visible, ultravioleta o blanca. Los objetos devuelven la luz que no absorben hacia su entorno. Nuestro campo visual interpreta estas radiaciones electromagnéticas que el entorno emite o refleja, como la palabra "COLOR".

Percepción de los colores Mediante la propiedades de la reflexión, el objeto absorbe los demás colores y refleja el propio

Aplicaciones. 1.- calcule la energía y la longitud de onda de un fotón de luz de 10 5 ℎ𝑧 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑐𝑛𝑖𝑎. ( (6,625 𝑥10 −19 𝐽 , 3𝑥10 −7 𝑚) 2.- ¿Qué energía tiene un fotón de longitud de onda de 6.000 𝐴 ? ( 2,07 eV ) 3.- Si el efecto fotoeléctrico se produce con luz roja , también lugar con luz amarilla. Razone la respuesta. (si, es de mayor frecuencia)

4. - En un aparato se produce el efecto fotoeléctrico con luz azul 4.- En un aparato se produce el efecto fotoeléctrico con luz azul. Se va a producir este efecto con luz amarilla?.¿porque? (tal vez si , o tal vez no, depende….) 5.-Si la frecuencia de radiación que incide sobre una placa metaliza y que produce el efecto fotoeléctrico se duplica .¿se duplicara también la energía cinética de los fotoelectrones emitidos?. Razone la respuesta. (No…) 6.- Una luz de frecuencia de 6 𝑥10 14 𝐻𝑧 incide sobre una superficie metálica y salen electrones con una energía de 2,10 𝑥10 −19 𝐽 . 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑒 𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑗𝑎𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 (1,975 𝑥10 −19 𝐽 )

7.- En el efecto fotoeléctrico obtenido u iluminando Potasio , la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos es de 1,6eV , cuando la luz incidente es de 3.500 Armstrong ¿Cuál es la energía umbral en eV? (1,95eV) 8.- Suponga que al irradiar un metal con luz azul se produce el efecto fotoeléctrico . Discuta si también se va a producir cuando irradiemos el metal con luz amarilla , sabiendo que la luz amarilla tienen una frecuencia mas baja que la del azul . Justifica tu respuesta. 9.- Cuando una superficie metálica se ilumina con luz de 180nm ( zona ultravioleta) , esta emite fotoelectrones . Observamos también que la frecuencia umbral corresponde a la luz de 230nm. Calcule: La velocidad máxima con la que salen los fotoelectrones al inicio del experimento. Con que potencial tienen que ser frenado estos electrones para impedir que lleguen al ánodo de la célula fotoeléctrica.? ((2,3 𝑥10 6 𝑚 𝑠 ; , 1,5𝑉)

10. - Para un cierto metal la longitud de onda umbral es de 270nm 10.- Para un cierto metal la longitud de onda umbral es de 270nm. Determine: La energía máxima necesaria para arrancar un electrón del metal. La velocidad , que , como máximo , podrán tener los fotoelectrones emitidos en tal caso. (7,36 𝑥10 −19 𝐽 , 756,8 𝑘𝑚/𝑠) 11.- La energía mínima necesaria para arrancar electrones del cobre es de 4,4eV.¿Cual será la diferencia de potencial que habremos de aplicar para impedir la salida de electrones del cobre , si este se ilumina con una luz de 150nm de longitud de onda? (3,88V) 12.- Calcule la energía cinética máxima de los electrones emitidos por una superficie metálica cuando inciden sobre ella fotones de longitud de onda de 2 𝑥10 −7 𝑚 . 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑟𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑠 𝑊= 6,72 𝑥10 −19 𝐽 (3,21 𝑥10 −19 𝐽 )

13.- Una lámpara de arco se compone de un dispositivo (filtro de interferencia) que permite pasar únicamente luz de longitud de onda de 400nm . Al incidir esta luz sobre un metal extrae de este un haz de electrones . Cambiamos el filtro que permite pasar únicamente luz de 300nm , ajustando la lámpara para que la luz incidente sea la misma que con la luz de 400nm . Entonces: ¿Se emite un numero mayor de electrones en idéntico tiempo? ¿Los electrones que se emiten tienen energía mas elevada? ¿Los dos apartados anteriores son ciertos? 14.- Determine la longitud de onda , la frecuencia y la cantidad de movimiento de un fotón de 200MeV de energía e indica en que zona del espectro electromagnético se encuentra. ((6,21 𝑥10 −15 𝑚 , 4,8𝑥10 22 ℎ𝑧 , 1,06 𝑥10 −19 𝑘𝑔 . 𝑚 𝑠 )

15.- Un electrón y un fotón tienen , cada uno, una longitud de onda de 2 Armstrong .¿Cuales son sus cantidades de movimiento? (3,3125 𝑥10 −24 𝑘𝑔 𝑚 𝑠 ) 16.- Son posibles los fenómenos de interferencias con electrones . Razone la respuesta. 17.- Calcule la longitud de onda de De Broglie asociada a cada partícula: Una persona de 70 kg que se mueve con una rapidez de 2m/s Un electrón que se mueve a 1000 m/s (4,7 𝑥10 −36 , 7,2𝑥10 −7 𝑚

18.- ¿Por qué tienen mas poder de resolución el microscopio electrónico que el óptico? 19.- ¿Cuál es la longitud de onda de De Broglie asociada a un virus de ( 10 −18 𝑔𝑟 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 que se mueve por la sangre con una velocidad de 0,2m/s? (3,3125 𝑥10 −12 𝑚 ) 20.- ¿Qué longitud de onda corresponde a un protón que se mueve a 2 𝑥10 7 𝑚 𝑠 𝑦 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑏𝑎𝑙𝑎 𝑠𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑠𝑖𝑙 𝑑𝑒 5𝑔𝑟 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑣𝑒 𝑎 100𝑚 𝑠 ? (2,07 𝑥10 −14 𝑚 , 1,3253𝑥10 −33 𝑚)

21.- Un microscopio electrónico utiliza electrones acelerados a través de una diferencia de potencial de 40.000 V Calcule la energía suministrada a cada electrón. ¿Cuál será la velocidad de choque de los electrones? Determine el poder de resolución , suponiendo que es igual a la longitud de onda de De Broglie asociada a los electrones. ((6,4 𝑥10 −15 , 1,186𝑥10 8 𝑚 , 0,06138 Armstrong ) 22.- Calcule la energía de un fotón de longitud de onda 5,10𝑥10 −7 𝑚 (3,975 𝑥10 −19 𝐽) 23.- Una emisora FM trasmite con una potencia de 1KW a una frecuecnia de 98Mhz .¿Cuantos fotones emite durante 1s? (1,54 𝑥10 28 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠)

24.- Calcule la indeterminación en la cantidad de movimiento y en la velocidad del electrón del átomo de hidrogeno en la primera orbita de Bohr. El radio es de 0,529 Armstrong y queremos que la indeterminación en la posición sea de 1% de dicho radio . Exprese la indeterminación en la velocidad en función de la velocidad de la luz , sin considerar efectos relativistas. (1,99 𝑥10 −22 ; 2,19𝑥10 8 ;0,73𝑐 ) 25.- Calcule la indeterminación en la cantidad de movimiento de un neutrón situado dentro del núcleo , si consideramos que la posición está limitada a un entorno de 1 𝑥10 −14 𝑚 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜 . ¿𝐶𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑? (1,055 𝑥10 −20 ;6,296 𝑥10 6 𝑚/s )