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GUIA DE ESTUDIO FÍSICA: NATURALEZA DE LA LUZ

CURSO: 1 M PROFESOR: Pablo Jiménez Jaime/ Pablo Gasc Navia FECHA: 22/08/2013

NOMBRE:

CONTENIDO(S): La luz y su naturalezaTeoría corpuscularTeoría ondulatoriaPropagación de la luz Origen de la luz

APRENDIZAJE(S) ESPERADO(S)1. Valorar el conocimiento del origen y el desarrollo

histórico de conceptos y teorías de la luz, reconociendo su utilidad para comprender el quehacer científico y la construcción de conceptos nuevos más complejos.

2. Comprender la importancia de las teorías e hipótesis en la investigación científica y distinguir entre unas y otras.

CONCEPTOS

Teorías sobre la visión: ¿Cómo es que podemos ver? Esta pregunta intento ser contestada en un inicio por los griegos, quienes para dar sus explicaciones se basaban en todo lo que podían observar y sentir.

El sentido de la vista tiene en común con el tacto que el hecho de que nos permite conocer la forma de los objetos, pero con la ventaja que puede hacerlo aun habiendo una distancia de por medio. ¿Cómo la vista siendo un sentido como el tacto podía salvar esta distancia? Surgieron dos teorías al respecto:

a) Extramisión: Se pensaba que la vista no era más que tocar los objetos con una “mano” muy larga. Se creía que de los ojos salían emanaciones (rayos) que hacían contacto con los objetos y recogían su forma

b) Intromisión: Se pensaba que los objetos emitían “algo”(rayos) que contenía su forma y color, lo que incidía sobre los ojos, los cuales no hacían más que captarlo

Estas teorías tenían algo en común, las emanaciones o rayos viajan en línea recta. Pero, si estas emanaciones venían de los ojos o de los objetos, ¿por qué no podemos ver sin luz o en oscuridad? Estas teorías carecían de bases para poder explicar esto. Pero otra duda queda planteada ¿qué son los ojos, receptores o emisores?

Este debate fue resuelto por el médico árabe Alhazen quien tomando en cuenta el hecho de que mirar al sol lastima a los ojos, y que el sol es un emisor de luz, dedujo acertadamente que los ojos son receptores y no emisores. También acertó al explicar que un objeto recibe luz (lo que quiera que sea) del ambiente y la esparce en todas direcciones. En ausencia de obstáculos, esta luz esparcida se propaga hacia el ojo y le permite percibir el objeto. Si no hay luz los objetos no pueden esparcir nada y es por eso que no podemos ver. Si existiera un obstáculo aquello que se esparce no podría llegar al ojo lo cual prueba que la luz viaja en línea recta

SÍ LOS OJOS SON RECEPTORES ¿QUÉ ES LO QUE RECIBEN? LUZ, Y ¿QUÉ ES LA LUZ?

Tomando en cuenta las observaciones de que:

1) Cuando se interpone un obstáculo en el recorrido de la luz, se produce sombra, es decir, ausencia de luz

2) Los ojos son receptores no emisores3) La luz se propaga en línea recta, ya que si interponemos un obstáculo no podemos ver, o si

alumbramos un objeto como una pelota con una linterna, su sombra mantiene su forma (de pelota)4) Cuando la luz llega a las superficies, esta se refleja. Esto es algo que experimentamos

cotidianamente; de lo contrario, no veríamos los objetos que nos rodean

El físico Isaac Newton explico la naturaleza de la luz, considerando que está formada de pequeñas pelotitas o partículas, en lo que se conoce como la teoría corpuscular o de emisión. El movimiento de estas pelotitas podía explicarse por medio de las leyes de Newton ¿por qué la luz viaja en línea recta? Porque así es como toda partícula viaja de acuerdo a la ley de inercia.

La luz presenta características distintas. Newton intento explicar cada una de ellas con su teoría:

a) La luz se refleja: las pelotitas o partículas de las que está formada rebotan en el objeto

b) Intensidad de la luz: Newton atribuyo a esto a la cantidad de partículas que cruzan un punto determinado por unidad de tiempo. La luz demasiado intensa es dañina porque los ojos no pueden soportar la energía que las pelotitas liberan al golpearlos.

c) Colores: La luz de diferentes colores se explicaba con pelotitas de tamaños distintos, las más pequeñas correspondientes al color violeta y las más grandes al color rojo

d) Refracción de la luz: Si bien se observó que la luz se refractaba era algo más complicado explicarla con esta teoría. Newton supuso que la velocidad de las pelotitas aumenta bruscamente al pasar de un medio menos denso a otro más denso. Con esto el ángulo de refracción calculado coincide perfectamente con el encontrado experimentalmente. El problema es que la suposición de que la velocidad de la luz es mayor en materiales más denso es falsa. Es cierto que cambia, pero este cambio consiste en una reducción. En ese entonces no se sabía pues no era posible medir la velocidad de la luz. Además esta explicación no satisfacía el hecho de que la luz podía reflejarse y refractarse a la vez ¿por qué algunas pelotitas pasaban y otras rebotaban?

Para intentar demostrar si la luz era una partícula o una onda , Thomas Young ideo un experimento conocido como el experimento de Young, el cual consistía en hacer pasar un haz de luz a través de dos rendijas para así crear dos haces que puedan proyectarse sobre una pantalla. Es importante que las rendijas sean muy delgadas porque se requiere que la luz se desvíe lo suficiente como para iluminar más allá de su sombra geométrica

.Cuando la luz pasa por las rendijas se puede ver que en la pantalla se observa un patrón de interferencia, algo impensado, puesto que si la luz es una partícula, lo que debería observarse es simplemente dos rendijas. Si ocurría esto, ¿qué era entonces la luz?La interferencia es un fenómeno conocido de las ondas, existiendo dos tipos:

Interferencia destructiva: Cuando dos o más ondas de frecuencia similar o idéntica se encuentran y al “chocar” crean un nuevo patrón de ondas de menor intensidad (amplitud), siendo esta amplitud en algunos casos específicos 0, en un punto llamado nodo (no existe oscilación). Al traspasar este punto las ondas siguen siendo como eran hasta antes de interferirse, pero esta vez se alejan del nodo.

Interferencia constructiva: una superposición de dos o más ondas de frecuencias diferentes, al interferirse crean un nuevo patrón de ondas de mayor intensidad (amplitud) cuya cúspide es el antinodo; tras este punto, vuelven a ser las mismas ondas de antes.

Lo que ocurre finalmente es lo siguiente:

Las ondas se interfieren destructivamente creando así una interferencia destructiva la cual se puede ver en la pantalla P, como un haz de interferencia. Si esto era lo que ocurría, ¿es posible afirmar que la luz es entonces una onda?¿Habrá alguien que haya intentado dar esta explicación a la naturaleza de la luz?

El experimento de Young fue realizado en 1801 mucho después de la lucha entre la teoría corpuscular y la ondulatoria

Christian Huygens considero a la luz como una onda, en su teoría ondulatoria, dado que se observaba que la luz presentaba los mismos fenómenos que una onda (reflexión, refracción, difracción, etc.) y tenía ciertas propiedades como la intensidad y colores.

La luz presenta características distintas. Huygens intento explicar cada una de ellas con su teoría:

a) La luz se refleja: Las luz al ser una onda, tal cual lo era el sonido, se refleja. Es un fenómeno más que probado en las ondas

b) Intensidad de la luz: Se relaciona con la amplitud de la onda, tal cual como en el sonido el volumen mas alto, corresponde a una mayor amplitud

c) Colores: El hecho de que haya colores distintos se debe a las distintas longitudes de onda que puede tener la luz. Siendo la longitud de onda más larga para el rojo y la longitud de onda más corta para el violeta.

d) Refracción de la luz: El fenómeno de la refracción también era un fenómeno probado para todas las ondas. Para el caso donde la reflexión y la refracción ocurren al mismo tiempo, parte de la energía se refracta y parte de la energía se refleja

e) Difracción: Esta teoría también podía explicar satisfactoriamente este fenómeno. Cuando un haz de luz se encuentra con un obstáculo, cada punto de este se convierte en una nueva fuente de onditas que se propagan en todas direcciones.

Las franjas que aparecen en el experimento de Young pueden explicarse como consecuencia de otro fenómeno de ondas, la interferencia destructiva y constructiva entre dos haces de luz. Del mismo modo, las regiones iluminadas y oscuras en un patrón de difracción, se explican como consecuencia de interferencia entre rayos difractados en diferentes direcciones.En resumen, tenemos que la teoría ondulatoria puede explicar propiedades de la luz como la intensidad y el color y fenómenos como la reflexión, la refracción, al igual que lo hace la teoría corpuscular. Pero además,

la teoría ondulatoria puede explicar más que satisfactoriamente la difracción, cosa que la teoría corpuscular no puede. A pesar la evidente ventaja, la teoría ondulatoria fue recibida con recelo. Por una parte estaba el gran prestigio de Isaac Newton, pero por otra, es verdad que la teoría tenía varios puntos flacos. La analogía entre sonido y luz, que fue la principal impulsora de la teoría, es útil también para señalar sus problemas. Si la luz es una onda, ¿por qué no puede sacarle la vuelta a los obstáculos como lo hace el sonido? Además, si el sonido no presenta polarización ¿por qué la luz sí? Por último, si se coloca una campana dentro de un recipiente transparente al vacío, no podemos oír el sonido de la campana, pero sí podemos verla. ¿Por qué el sonido no puede propagarse en el vacío mientras que la luz sí puede?

El principio de Huygens puede explicar esto sin problemas, ya que predice que la difracción sólo será perceptible cuando las dimensiones del obstáculo sean similares a la longitud de onda. La longitud de onda de la luz es muy pequeña en comparación con los objetos cotidianos, por lo que en nuestra vida diaria es muy difícil que la percibamos y podemos considerar por tanto, que la luz viaja en línea recta. En cambio, la longitud de onda del sonido es mucho más grande, por lo que la difracción sí puede percibirse y estas porciones difractadas nos permiten escuchar a pesar de no estar frente a la fuente de sonido o de que se nos atraviese algún obstáculo.

El hecho de que el sonido no presente polarización y la luz sí, también tiene una explicación simple. El sonido es una onda longitudinal y si se propaga en cierta dirección, esa será exactamente la dirección de la perturbación. Por otra parte, para una onda transversal, la perturbación puede ocurrir en cualquier dirección perpendicular a la de propagación. Hay infinitas direcciones en que esto puede cumplirse. Es de esperarse que en un grupo de ondas transversales se encuentren perturbaciones orientadas aleatoriamente en todas las direcciones posibles. El paso por un filtro polarizador seleccionaría aquellas ondas cuyas perturbaciones se mueven en una dirección específica. Si consideramos que la luz está formada por ondas transversales, podemos explicar porqué presenta polarización, lo que para el sonido, que es una onda longitudinal, sería imposible.

La última de las preguntas es sin duda la más difícil. Ya mencionamos que el sonido es una perturbación de la presión del aire. Si la luz es una onda y puede viajar en el vacío, ¿qué es exactamente lo que perturba? Una perturbación no puede existir si no hay nada que perturbar, así que se supuso que el vacío absoluto no existe y que todo el universo se encuentra lleno de una sustancia infinitamente más ligera que el aire a la que se llamó éter. La idea de que una onda pudiera propagarse a través del espacio vacío se consideraba tan descabellada que, a pesar de que no haber ninguna prueba, la existencia del éter se consideraba incuestionable.

Finalmente la lucha fue ganada por Newton y su teoría corpuscular pues era muy reconocido y prácticamente no se dudaba de lo que decía, a pesar de las incoherencias que podía tener esta teoría en particular.

Es importante recordar que en ese tiempo no se conocía el concepto de onda electromagnética, concepto que al ser descubierto cambio por completo el cómo se percibía la luz (se comenzó a entender como una onda).

En la física existían ciertos “efectos” que no se podían explicar concibiendo la luz como una onda, y es Albert Einstein quien volviendo a la idea de newton, y llamando a las partículas o pelotitas, fotones, pudo explicar uno de estos efectos, conocido como el efecto fotoeléctrico, por el cual gano el premio nobel.Finalmente se llego a la conclusión de que la luz presenta dualidad, es decir se comporta como una onda y como partícula.

Propagación de la luz: La luz se propaga a través del vacío o de un medio. Considerando su propagación solo en el vacío, muchos intentaron establecer cuál era la velocidad a al que lo hacía, entre ellos Galileo Galilei, quien en su experimento (explicado en la página 57 de su libro) concluyo que la luz tenía “una rapidez extraordinaria”.

El astrónomo danés Ole Christensen Roemer pudo obtener un valor de 2,3x108 m/s un valor que si bien es menor al aceptado hoy en día, para su época fue un valor extraordinario de obtener.

El físico francés Hippolyte Fizeau ideo un experimento con una rueda dentada (algo así como un engranaje) por la cual hacia pasar pulsos de luz entre los dientes de la rueda mientras esta giraba. Al frente había un espejo y como la rueda seguía girando, al volver el pulso de luz podía toparse con un diente, y en ese instante, dejaba de ser percibida por el ojo.

Sabiendo esto, la rapidez de giro de la rueda se regulaba de tal forma que el pulso de luz saliera por una ranura y al retomar se topara con el diente que estaba al lado. Entonces, el tiempo que se demoraba la luz en ir y volver del espejo era igual al tiempo que tomaba un diente en moverse a la posición siguiente. Con este experimento logro obtener un valor para la rapidez de la luz de 3,1x108 m/s. un valor muy cercano al aceptado actualmente.

Con técnicas de luz laser, se ha determinado que la rapidez de la luz en el vacio es de 2,997924574x108

m/s, pero el valor aproximado que usaremos será de 3x108 m/s. Hoy en día es aceptado que nada puede ser mas rápido que la luz, además de ser una constante universal, es decir, no importa el sistema de referencia donde se mide, su velocidad siempre será la misma.

Origen de la Luz: El modelo atómico cuántico propone que los electrones se disponen en orbitales alrededor del núcleo atómico. Los electrones de esa manera poseen una energía característica, que aumenta si más alejados se encuentran del núcleo. Al pasar de una órbita a otra de menos energía hay una diferencia que se traduce en un fotón de luz, es decir, una cierta cantidad de energía convertida en luz.

Si el átomo recibe una cierta cantidad de energía, el electrón salta a una órbita superior; cuando la energía recibida por el átomo es mucha, el electrón puede escapar de su ligazón al núcleo. Si esa energía recibida es luz, se observara una absorción de luz por parte del átomo.

Como algunos saltos están permitidos y otros son menos probables, se origina luz con diferente energía y eso se manifiesta en luz de distinto color. Si no te queda claro, observa el siguiente esquema.

PREGUNTAS:

1) Antes de que Newton y Huygens postularan sus teorías, ¿Qué conclusiones verdaderas sobre la naturaleza de la luz habían sido descubiertas? ¿Cómo hubieras llegado tú a esas conclusiones?

2) ¿Por qué es difícil observar el fenómeno de la difracción de la luz?

3) ¿Cómo intentarías tu calcular la velocidad de la luz? Idea algún experimento. Recuerda que la velocidad de la

luz, HASTA DONDE HEMOS ESTUDIADO, puede ser descrita como v=dt ; v=¿ f ; v=

❑T . Eres libre de

dar tu explicación, mientras se base en la teoría conocida.

4) Explica con tus palabras el experimento de Young (recuerda que puedes ver un video de éste en youtube).

5) Si tu hubieras estado en el debate de la teoría corpuscular y la teoría ondulatoria, pero no manejaras el concepto de onda electromagnética ¿Cuál hubiera sido tu elección y Por qué?

6) El sonido no se propaga en el vacío; ¿cómo se sabe que la luz si lo hace?

7) ¿Cuál es el rango de las longitudes de onda, desde la más corta hasta la más larga que el ojo humano puede detectar?

8) ¿Qué color de la luz visible tiene la longitud de onda más corta?

9) Establezca la diferencia entre un cuerpo luminoso y otro iluminado.

10) Mire con atención una ampolleta, encendida. ¿Es un cuerpo luminoso o uno iluminado?

11) Explique cómo se ven los objetos no luminosos en la sala de clases.

12)¿De qué colores consta la luz blanca?

13) ¿Es el negro un color? ¿Por qué un objeto se ve negro?

14) Nombre cada uno de los colores primarios, así como sus correspondientes secundarios.

15)¿Qué sucede a la longitud de onda de la luz cuando se incrementa su frecuencia?

16) Convierta en metros 700 nm, la longitud de onda de la luz roja.

17) La luz necesita 1,28 s para viajar de la Luna a la Tierra. ¿Cuál es la distancia entre ellas?

18) El Sol se encuentra a 1,5x108 km de la Tierra. ¿Cuánto tiempo emplea la luz del Sol para llegar a la Tierra?

19) Las estaciones de radio normalmente se identifican por la frecuencia. Una estación en el centro de la banda de FM tiene una frecuencia de 99 MHz. ¿Cuál es su longitud de onda?

20) ¿Qué frecuencia tienen microondas cuyas longitudes de onda son de 3 cm?