Gracias a la luz podemos ver el mundo que nos rodea, pero hay que tener claro que la luz no es solo lo que percibimos. Tenemos que entender a la luz con una doble naturaleza: onda y partícula.
- Christiaan Huygens demostró que la luz se comportaba como una onda, debido a que se propaga a través de un medio invisible llamado Eter. Esta teoría podía explicar fenómenos físicos como la refracción, la difracción o la interferencia.
- Por otro lado, Isaac Newton, afirmó con su teoría corpuscular, que la luz está formada por pequeñas partículas que se movían en línea recta y chocaban con los objetos. Explicaba asi los fenómenos físicos, como la reflexión.
Si tenemos en cuenta las estas dos teorías, esto podría significar que la luz puede viajar por el espacio, rebotar en los objetos, atravesar algunos materiales, cambiar de dirección, separarse en colores y hasta interferir consigo misma. Pero ¿Cuál de los dos se equivocaba?
La teoría que mejor describe la naturaleza y el comportamiento de la luz es la teoría cuántica, que combina aspectos ondulatorios y corpusculares de la luz.
Según esta teoría la luz es formada por fotones (partículas y ondas al mismo tiempo), lo que explica todos los fenómenos que la luz produce y que abarcaré en esta entrada.
¿Cómo se contradijo la luz como partícula? Experimento de doble rendija.
Esta teoría se basó en la idea de que la luz está compuesta por pequeñas partículas (corpúsculos), moviéndose en línea recta y chocando con los objetos. Lo que demostraba esta teoría era que cuando chocaba el corpúsculo en una superficie y se refracta cuando los corpúsculos cambian de velocidad al pasar de un medio a otro.
Esta teoría puede explicar algunos fenómenos, como la reflexión de la luz en un espejo o la refracción de la luz en un prisma, pero no puede explicar otros, como la difracción o la interferencia.
¿Por qué contradecía el experimento de doble rendija a la teoría corpuscular?
El experimento de doble rendija demostró que la luz se comportaba, en esta ocasión, como una onda.
En qué consistía este experimento:
Este experimento consistía en dejar pasar un haz de luz por una pantalla con dos rendijas, si la luz fuera un conjunto de partículas, se esperaría que al otro lado de la pantalla se formaran dos franjas luminosas correspondientes a las dos rendijas.
Sin embargo, lo que se observa es un patrón de franjas alternas de luz y oscuridad, que se explica por la interferencia de las ondas de luz que salen de cada rendija.
Razonamiento:
Por lo que este experimento contradice a la teoría de Isaac Newton, es porque en este experimento la luz se estaba examinando como si fuera una onda, y se mostraba como su propagación no era en línea recta, sino que se difractaba y se superpone con otras ondas de luz.
Por lo tanto, en esta prueba se demostró que la teoría corpuscular no podía explicar el comportamiento de la luz como partícula.
La luz como onda: teoría ondulatoria
Para entender la luz como onda, se elaboró la teoría ondulatoria donde se entiende que la luz emitida por una fuente está formada por ondas, que corresponden al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter.
¿Qué caracterizaba a la teoría ondulatoria?
Según esta teoría, la luz es una perturbación ondulatoria del medio, que se caracteriza por su longitud de onda, su frecuencia y su amplitud.
- La longitud de onda es la distancia entre dos crestas o valles consecutivos de la onda.
- La frecuencia es el número de oscilaciones que realiza la onda en un segundo.
- La amplitud es la altura máxima que alcanza la onda desde su posición de equilibrio.
Esta teoría puede explicar algunos fenómenos que la teoría corpuscular no podía, como la interferencia, la difracción o la polarización.
¿Por qué se descartó esta teoría?
La teoría ondulatoria se descartó debido a que, en el siglo XIX, se demostró que la luz podía viajar por el vacío sin ayuda de ningún soporte material.
¿Por qué la luz tiene una doble naturaleza? Dualidad la luz como onda y partícula
Esta es una de las preguntas más fascinantes de la física debido a qué para responderla debemos aceptar que la luz ni es una onda, ni es una partícula, pero ¿Qué es la luz entonces?
La luz es algo diferente que se manifiesta de una forma determinada según su contexto. Por ejemplo:
Experimento de Leonard: el efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico es uno de los experimentos que demostró que la luz tiene una doble naturaleza: ondulatoria y corpuscular. En él se demostraba su carácter corpuscular.
La luz se comporta como una onda cuando se propaga por el espacio, pero se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia.
El experimento consistía en hacer que un haz de luz chocara con una placa de metal y medir la corriente eléctrica que se producía. Lo que se observó fue que la corriente dependía del color de la luz, no de la cantidad.
Esto se podía explicar si se pensaba que la luz estaba formada por partículas, que tenían más o menos energía según su color. Si la energía era suficiente, podían sacar electrones del metal. Si no, no pasaba nada.
Esto mostró que la luz se comportaba como una partícula cuando chocaba con el metal. Pero en otros experimentos, como el de la doble rendija, la luz se comportaba como una onda, formando patrones de interferencia. Así que la luz tenía una doble naturaleza: onda y partícula.
Teoría cuántica para demostrar la dualidad de la luz.
La teoría cuántica nos dice que la luz está formada por fotones, que se comportan como partículas y como ondas al mismo tiempo.
Esto significa que los fotones tienen propiedades como la posición, el momento, la energía y la polarización, que son típicas de las partículas, pero también tienen propiedades como la longitud de onda, la frecuencia, la amplitud y la fase, que son típicas de las ondas.
La dualidad: ¿Cómo medir la la luz como onda y como particula al mismo tiempo?
Simplemente, no se puede. Tenemos que elegir qué aspectos queremos observar, dependiendo de cómo diseñemos el experimento, no dará como resultado que la luz se comporta como partícula o como onda.
Esto se debe a que la forma en la que vamos a medir la luz va a alterar el resultado. El acto de medir altera el estado de la luz, provocando lo que se conoce como el colapso de la función de onda.
Resultados alterados de los experimentos anteriormente explicados.
Cuando expliqué el experimento de doble rendija, lo que veíamos era que se formaba un patrón de interferencia, que es típico de las ondas. Esto significa que la luz se comporta como una onda cuando se propaga por el espacio.
Por otro lado, si colocamos un detector en cada rendija para saber por cuál pasa la luz, veremos que el patrón de interferencia desaparece y se forman dos franjas luminosas, que son típicas de las partículas. Esto significa que la luz se comporta como una partícula cuando interfiere con la materia. Al medir por qué rendija pasa la luz, hemos alterado su estado y hemos hecho que se manifieste como una partícula.
La dualidad onda-partícula de la luz es una de las consecuencias más sorprendentes y paradójicas de la física cuántica, que nos obliga a replantear nuestra forma de entender la realidad. La luz no es lo que parece, sino algo más profundo y misterioso.
¿Qué características tiene la luz como onda electromagnética?
La luz es una perturbación que se propaga en el espacio y que está formada por dos ondas: uno eléctrico y otro magnético (electromagnético).
Como característica principal de onda posee: frecuencia, amplitud, y fase.
La luz viaja a una velocidad constante en el vacío, que es de unos 300000 km/s3. Depende del medio por el que se propaga, siendo menor en medios más densos. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio se llama índice de refracción.
La luz transporta energía, que depende de su frecuencia. A mayor frecuencia, mayor energía. La energía de la luz se puede expresar como el producto de una constante, llamada constante de Planck, y la frecuencia de la luz. Esta fórmula se debe a Albert Einstein, que fue el primero en explicar el efecto fotoeléctrico, uno de los fenómenos que demostró el carácter corpuscular de la luz.
Cómo podemos clasificar la luz
La luz se puede clasificar en diferentes tipos según su frecuencia o su longitud de onda. El conjunto de todos los tipos de luz se llama espectro electromagnético.
El espectro electromagnético va desde las ondas de radio, que tienen una longitud de onda muy larga y una frecuencia muy baja, hasta los rayos gamma, que tienen una longitud de onda muy corta y una frecuencia muy alta. Entre estos dos extremos se encuentran otros tipos de luz, como las microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioletas y los rayos X.
La luz visible es la única que podemos percibir con nuestros ojos, y se compone de los colores del arco iris, que van desde el rojo, que tiene una longitud de onda más larga y una frecuencia más baja, hasta el violeta, que tiene una longitud de onda más corta y una frecuencia más alta.
¿Cómo se propaga la luz? Velocidad, flujo e iluminación
Un rayo de luz es una línea imaginaria que representa la dirección y el sentido de propagación de la luz. Son perpendiculares a los frentes de onda, que son las superficies formadas por los puntos que reciben la luz al mismo tiempo.
Por ejemplo, si tienes una linterna y la enciendes en una habitación oscura, verás que la luz sale en forma de cono. Ese cono está formado por muchos rayos de luz que salen de la linterna y se propagan en línea recta.
Los frentes de onda son las secciones circulares del cono, que indican los puntos que reciben la luz al mismo tiempo. Los rayos de luz y los frentes de onda nos ayudan a entender cómo se comporta la luz cuando se refleja o se refracta.
¿Qué es el flujo luminoso?
El flujo luminoso es la cantidad de energía que emite una fuente de luz por unidad de tiempo, percibida y evaluada según la sensibilidad del ojo humano. Se mide en lúmenes (lm) y depende de la frecuencia o longitud de onda de la luz. Este nos da idea de la cantidad de luz total que emite una fuente luminosa, es decir, es la potencia emitida en forma de radiación.
Por ejemplo, una bombilla de 60 W tiene un flujo luminoso de unos 800 lm, mientras que una vela tiene un flujo luminoso de unos 12 lm.
Eso significa que la bombilla emite más luz que la vela, pero no necesariamente que ilumine más, porque eso depende también de la distancia y del ángulo.
¿Qué es la iluminación?
La iluminación es la cantidad de energía que llega a una superficie por unidad de área, debido a la luz que incide sobre ella. Esta se mide en lux (lx) y depende de la intensidad de la fuente, de la distancia a la que se encuentra y del ángulo con el que la luz incide sobre la superficie. La iluminación nos da idea de la cantidad de luz que recibe una superficie.
Por ejemplo, la iluminación de un día soleado es de unos 100000 lx, mientras que la iluminación de una noche estrellada es de unos 0,001 lx.
Eso significa que el día es mucho más luminoso que la noche, pero no necesariamente que veamos mejor, porque eso depende también de la adaptación de nuestros ojos.
¿Qué efectos se producen cuando la luz interactúa con la materia? Transmisión, reflexión, refracción, dispersión, absorción y difracción
La luz es una onda electromagnética que se propaga por el espacio y que puede interactuar con la materia de diferentes formas.
Cuando la luz encuentra un objeto, puede pasar a través de él, rebotar en él, cambiar de dirección, separarse en colores, transformarse en calor o curvarse.
Estos efectos se conocen como transmisión, reflexión, refracción, dispersión, absorción y difracción. A continuación te explicaré en qué consiste cada uno de ellos y algunos ejemplos de su aplicación.
- Transmisión: cuando la luz pasa de un medio a otro sin cambiar de dirección. Por ejemplo, cuando vemos a través de una ventana.
- Reflexión: cuando la luz rebota en la superficie de un objeto y vuelve al medio de donde vino. Por ejemplo, cuando nos vemos en un espejo.
- Refracción: cuando la luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro, debido a que su velocidad varía. Por ejemplo, cuando vemos un lápiz sumergido en agua y parece que se rompe.
- Dispersión: cuando la luz se separa en sus colores al pasar por un medio que tiene diferentes índices de refracción. Por ejemplo, cuando vemos un arco iris al pasar la luz del sol por las gotas de lluvia.
- Absorción: cuando la luz se transforma en calor al ser retenida por un material. Por ejemplo, cuando un objeto negro se calienta más que uno blanco al recibir la misma luz.
- Difracción: cuando la luz se curva al pasar por una abertura o un borde. Por ejemplo, cuando vemos un patrón de franjas de colores al pasar la luz por una rejilla.
Referencias
Giacosa, N. S., Galeano, R., Zang, C. M., Maidana, J. A., & Such, A. (2019). Experimento de la doble rendija de Young: análisis de libros de texto universitarios.
Yendris. TEORÍA ONDULATORIA DE LA LUZ [Internet]. Leyes del Universo. 2021 [cited 2023 Dec 12]. Available from: https://leyesdeluniverso.es/teoria-ondulatoria-de-la-luz/
Electromagnetic radiation [Internet]. Chemistry LibreTexts. Libretexts; 2013 [cited 2023 Dec 12]. Available from: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Spectroscopy/Fundamentals_of_Spectroscopy/Electromagnetic_Radiation
Efecto fotoeléctrico explicado con hipótesis cuántica [Internet]. LibreTexts Español. Libretexts; 2022 [cited 2023 Dec 12]. Available from: https://espanol.libretexts.org/Quimica/Qu%C3%ADmica_F%C3%ADsica_y_Te%C3%B3rica/Qu%C3%ADmica_F%C3%ADsica_(LibreTexts)/01%3A_El_amanecer_de_la_teor%C3%ADa_cu%C3%A1ntica/1.03%3A_Efecto_fotoel%C3%A9ctrico_explicado_con_hip%C3%B3tesis_cu%C3%A1ntica
Espectroscopía: la interacción de la luz y la materia (artículo) [Internet]. Khan Academy. [cited 2023 Dec 12]. Available from: https://es.khanacademy.org/science/ap-chemistry/electronic-structure-of-atoms-ap/bohr-model-hydrogen-ap/a/spectroscopy-interaction-of-light-and-matter
