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¿Qué es la luz?

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La mayor cantidad de conocimientos que aprendemos de la naturaleza nos llega a través del sentido de la vista. Desde siempre, el hombre se ha propuesto a estudiar sobre la naturaleza de la luz. Se hicieron preguntas como: ¿Qué es la luz? ¿A qué rapidez viaja? ¿Cómo se propaga? ¿Por qué vemos diferentes colores?, entre otras.

Primeramente, nos centraremos en la óptica. Esta es la parte de la física que estudia la luz. Se encarga de estudiar los procesos de propagación y los fenómenos que se ven durante la interacción de la luz con las sustancias.

Efectofotoeléctrico ¿Qué es la luz?
Imagen 1. El prisma refleja, refracta y descompone la luz en diferentes colores. Foto: Wikimedia Commons-DKuru.

La óptica la podemos dividir en dos ramas

  • Óptica geométrica: estudia las leyes de la propagación de la luz sobre la base de la propagación rectilínea de los rayos luminosos, sin tomar en cuenta la naturaleza ondulatoria.
  • Óptica física: se encarga de estudiar los problemas relacionados con la naturaleza de la luz y de los fenómenos luminosos. De igual manera, es importante señalar que las propiedades ondulatorias de la luz son un punto primordial para poder explicar fenómenos como: la difracción, la interferencia, la polarización y otros fenómenos que bajo la perspectiva de la óptica geométrica, son prácticamente imposibles de explicar.

Primeros indicios para tratar de explicar la naturaleza de la luz

  1. La escuela platónica del siglo IV a. C: inferían que nuestros ojos emitían pequeñas partículas que al llegar a los objetos los hacían visibles. Esta escuela también propuso dos teorías importantes de la óptica geometría; una de ellas fue la teoría de la propagación rectilínea de los rayos de luz y la otra fue la teoría sobre la igualdad de los ángulos de incidencia y reflexión.
  2. Aristóteles: en el siglo IV a. C: concebía la luz como un fluido inmaterial que se encuentra en el medio propagándose entre el ojo y el objeto observado.
  3. Empédocles en el siglo V a. C: propuso que la luz se formaba en forma de ondas.
  4. En el siglo V a.C: los griegos especulaban que la luz estaba hecha de filamentos que el ojo emitía y que el acto de ver se llevaba a cabo cuando dichos filamentos entraban en contacto con esos objetos.
  5. Pitágoras en el siglo VI a.C: dijo que los cuerpos se vuelven visibles como consecuencia de que emiten partículas de luz.
  6. En 1287: aparecieron en Europa las primeras gafas.
  7. Roger Bacon el siglo XIII: empleó una lupa para leer y predecía las invenciones de la lupa y del microscopio.
  8. Leonardo Da Vinci en el año 1500: planteó la similitud entre la reflexión y el fenómeno del eco, por lo que pudo inferir que la luz podría ser un tipo de movimiento ondulatorio.
  9. Zacharías Janssen en 1590: construyó el primer microscopio de dos lentes.
  10. Galileo Galilei en 1609: construyó el primer telescopio astronómico.

Gracias a estos primeros indicios surgieron dos importantes corrientes científicas. La primera respaldada por Isaac Newton, el cual afirmaba que la luz estaba formada por partículas, esto pasó a llamarse modelo corpuscular. Mientras que la otra corriente la lideraba Christian Huyghen, contemporáneo a Newton, apoyaba la afirmación que la luz era una onda; esto se llamó modelo ondulatorio.

Teorías o corrientes científicas

Teoría corpuscular

  • Transferencia de energía mecánica sin un medio portador de dicha energía.
  • Explica la reflexión de la luz.
  • Explica la ley que dice: que la iluminación varía inversamente al cuadrado de la distancia al foco luminoso.
  • La luz debía ejercer cierta presión.
  • No explica el fenómeno de refracción.
Efectofotoeléctrico ¿Qué es la luz?
Imagen 2. El modelo corpuscular respaldada por Isaac Newton afirmaba que la luz estaba formada por partículas. Foto: Wikimedi

Teoría ondulatoria

  • La transferencia se daba en forma de pulsos (ondas), propagado a través de un medio llamado éter.
  • Puede explicar la reflexión, refracción y difracción.
  • Explica las interferencias.
Efectofotoeléctrico ¿Qué es la luz?
Imagen 3. El modelo ondulatorio apoyado por Christian Huyghen, contemporáneo a Newton, donde se ve a la luz como una onda. Foto: Wikimedia Commons-FJGAR.

¿La luz es una onda o partícula?

Ahora bien, si vemos, ambas teorías presentan ciertas características que la otra no puede explicar y viceversa. Incluso la teoría corpuscular llegó a explicar erróneamente que la luz tenía más rapidez en el agua que en el aire; este error fue visto en 1850, cuando Jean Focault comprobó todo lo contrario.

Por otro lado, los enemigos de la teoría ondulatoria argumentaron que las ondas luminosas, en caso de existir, debían difractarse, así como lo hacen las ondas sonoras y las ondas en el agua. Sin embargo, este comportamiento de la luz, no se pudo explicar de manera experimental en esta época por los avances de la tecnología.

Quizás unas de las características que más llamaba la atención y el cual muchos científicos se apoyaron para estar en contra de la teoría ondulatoria fue: el hecho de que, la luz tenía que transmitirse por un medio. Ya que este, tenía propiedades contradictorias para que la luz pudiese viajar a través de él. El éter debía ser lo suficientemente ligero para no obstaculizar el movimiento, pero lo bastante rígido y elástico para responder a las vibraciones que suponía la propagación de la luz.

Por otro lado, Euler en 1768 aportó muy bueno argumentos a favor de la existencia de onda continuas. Fue el primer en introducir el concepto de longitud de ondas. Mientras que, Agustín Fresnel en 1816, demostró que las ondas son transversales, y en colaboración con Young explicaron la difracción y la interferencia, demostrando que siempre que se produzca una interferencia debe suponerse que existe un movimiento ondulatorio.

La teoría electromagnética

Campo magnético y eléctrico
Imagen 4. Campos magnético y eléctrico a lo largo de la línea de propagación. Foto: Wikimedia Commons-Supermanu

En 1866 el físico James Clerk Maxwell formuló que la luz es una onda electromagnética y no una vibración mecánica. Él consideró que la luz era una de las vibraciones posibles del éter, cuyo origen se debía a cargas eléctricas oscilantes.

Maxwell aceptaba el punto de vista de Michael Faraday, que planteaba que un campo magnético variable producía un campo eléctrico. Y así también, pudo demostrar que un campo eléctrico variable produce en un campo magnético, afirmando que, a lo largo de la línea de la propagación de la luz, se encontraban dos campos, el eléctrico y el magnético y que las ondas era perpendiculares.

Pasados 22 años, después que se enunció la teoría electromagnética, Heinrich Hertz, pudo comprobar la teoría de Maxwell de la siguiente manera: en un laboratorio produjo ondas de radio y pudo ver que todas las ondas electromagnéticas de Maxwell, podían relajarse, refractarse y difractarse a la vez que se propagaban con la misma rapidez de la luz, añadido a esto, que dichas ondas no requerían de un medio para propagarse.

Luego de esto, en 1887, el experimento realizado por Michelson y Morley, demostraron la no existencia del éter. Y así, la formulación y establecimiento de la naturaleza electromagnética de la luz quedó hecha; este ha sido unos de los sucesos más importantes en la historia de la ciencia.

La teoría cuántica

Después de la verificación de las ecuaciones de Maxwell por Hertz, la teoría ondulatoria se encontró con un nuevo reto: el famoso efecto fotoeléctrico.

Hertz dijo que una chispa eléctrica saltaba con mayor facilidad entre dos placas cargadas, cuando las superficies eran iluminadas por luz proveniente de otra chispa. Esto fue un desafío para poder explicarlo desde la perspectiva ondulatoria. Sin embargo, a través de la teoría corpuscular se puede explicar muy bien. La experimentación del efecto fotoeléctrico demuestra que, aumentando la intensidad de la luz incidente sobre unas de las placas, se arrancan más electrones al metal fotosensible. Sin embargo al aumentar la frecuencia de la luz, los electrones desprendidos adquieren mayor rapidez y energía.

Y así llegó Max Planck, físico alemán que en 1901 publicó su hipótesis cuántica, donde expresó que la energía electromagnética se absorbe o se emiten en paquetes o cuantos, y que la energía de estos cuantos o fotones es proporcional a la frecuencia de la radiación.

Efectofotoeléctrico ¿Qué es la luz?
Imagen 5. El efecto fotoeléctrico es aquel fenómeno que se da cuando se ilumina con luz una placa metálica y partir de cierta energía necesaria se produce un salto de electrones. Foto: Wikimedia Commons-Ponor

Ecuación del contenido de energía de cualquier onda electromagnética

La ecuación de Planck es la siguiente: E=hf

  • La E es la energía del fotón ( J ).
  • La h es la constante de Planck, su valor es de 6,625 x
  • 10-34 J/Hz.
  • La f es la frecuencia del fotón (Hz).

Por otro lado, Albert Einstein en 1905, amplió las ideas de Planck, y dijo que la energía de un haz de luz no se esparce en forma continua como lo dijo Maxwell, sino que se concentra en pequeños paquetes (fotones). Con esto Einstein pudo explicar matemáticamente el efecto fotoeléctrico.

Como vemos, tenemos dos teorías científicas que pueden describir perfectamente el comportamiento de la luz. La teoría ondulatoria se encarga de estudiar la propagación de la luz y la teoría corpuscular de emplea cuando se estudia la interacción de la luz con la materia.

La luz se considera como una onda y partícula; su naturaleza es dual. Para terminar, una definición dual de la luz: La luz es la energía radiante transportada por fotones y transmitida por un campo ondulatorio.


Referencias


1. Flores, E., Moreno, J., y Rosales, N. (2010). Ciencias físicas o filosofía de la naturaleza.Panamá, Panamá: Imprenta Articsa.

2. Wolfgang, B & Westfall, G. (2014). Física para ingenierías y ciencias. 2da edición. México. Mc Graw Hill.


2 comentarios en “¿Qué es la luz?”

    1. ¡Muchas gracias, me alegro que te haya gustado! Y si, la luz es ese fenómeno que a simple vista parece algo básico, pero cuando se mira a detalles las cosas cambian.

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