Universidad de Colima

Fisica III

Cuantos de Luz

04/15/15

Historia

Durante siglos el hombre trato de explicar la naturaleza de la luz. Todo comenzó en las escuelas filosóficas griegas alrededor de los siglos IV y V a.C, el primer filosofo en exponer esto fue Platón que consideraba que la luz estaba formada por corrientes o filamentos emitidos por el ojo, alrededor de un siglo después Euclides un reconocido matemático y geómetra griego coincidió con esta hipótesis, por otro lado los filósofos de las escuelas pitagóricas creían que la luz emanaba de los cuerpos luminosos en forma de partículas muy finas, posteriormente Empédocles considero que la luz estaba formada por ondas de cierta clase y de muy alta velocidad, los estudios de este influenciaron a muchos científicos partidarios de la teoría ondulatoria alrededor de 2,000 años después.

Con la caída del Imperio Romano de Occidente, la humanidad entro en una era de oscuridad científica por más de mil años, la investigación se detuvo y solo quedaban algunos vestigios de las investigaciones de los antiguos filósofos por lo que persistió la pregunta ¿La luz está compuesta por ondas o partículas?.

No fue hasta 1704, para que Isaac Newton formulara la teoría corpuscular en la que describió la luz como una corriente de partículas o corpúsculos, sostuvo esto a pesar de que conocía la polarización y a pesar de que su experimento de la luz se reflejaba en placas de vidrio (Los anillos de Newton), mientras tanto un científico holandés llamado Christian Huygens formulo la teoría ondulatoria, pero fue opacada rápidamente con la teoría corpuscular a pesar de que esta explicaba correctamente los fenómenos físicos de la luz.

Con esto de fondo, Thomas Young realizo el experimento de la doble rendija en 1801, con lo que demostró la naturaleza ondulatoria de la luz, esta idea fue reforzada gracias a las ecuaciones del renombrado físico Maxwell, posteriormente Einstein formulo que la luz está compuesta por paquetes diminutos de energía llamados fotones lo que le valió el premio Nobel en 1905, acuño el concepto de dualidad onda-partícula.

Nacimiento de la teoría Cuántica

Con el auge de las nuevas tecnologías al final del siglo XX, se hizo posible el descubrimiento de más partículas subatómicas y la radiactividad. En 1900 Max Planck supuso que los cuerpos calientes emiten energía en paquetes discretos llamados cuantos, en los que la energía es proporcional a la frecuencia de la radiación.

Estos descubrimientos fueron la base de lo que hoy llamamos teoría cuántica, formulada debido a que los físicos se dieron cuenta de que los objetos del macro mundo eran regidos por leyes diferentes a los del micro mundo.

Constante de Planck

La constante de Planck establece un límite inferior de la pequeñez de las cosas, junto con la velocidad de la luz y la constante de la gravitación de Newton, se considera como una constante básica de la naturaleza y aparece una y otra vez en la naturaleza. La ecuación se obtiene considerando la energía de un fotón E=hf , donde h es la constante de Planck.

h=6.625 x10−34m ²

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico se resume en la cantidad de energía necesaria para que un electrón pueda escapar de cierto material. El efecto fotoeléctrico puede ser explicado fácilmente con un esquema de un circuito: La luz cae sobre una superficie metálica fotosensible, cargada negativamente, y libera electrones. Los electrones liberados son atraídos a la placa positiva, y producen una corriente medible. Si ahora la placa se carga sólo con la carga eléctrica negativa para repeler electrones, se puede detener la corriente. Así se pueden calcular las energías de los electrones expulsados, a través de la diferencia de potencial entre los electrodos, que se mide con facilidad.

El efecto fotoeléctrico es prueba concluyente de que la luz tiene propiedades de partículas. No podemos concebir el efecto fotoeléctrico con bases ondulatorias. Por otro lado, hemos visto que el fenómeno de la interferencia demuestra en forma convincente que la luz tiene propiedades ondulatorias. No podemos concebirla interferencia en términos de partículas. En física clásica eso parece y es contradictorio. Desde el punto de la física cuántica, la luz tiene propiedades afines a las dos. Es “como una onda” o “como una partícula”, dependiendo del experimento específico.

Dualidad onda partícula y experimento de la doble rendija

El fenómeno de la dualidad onda partícula fue formulado a principios del siglo XX y puede explicarse como la capacidad de la luz para comportarse como una onda y como una partícula, dependiendo del efecto visor.

Cuando la luz se observa se comporta como una partícula, pero cuando no se comporta como una onda, algo que confundió incluso a Thomas Young cuando realizo el experimento de la doble rendija, posteriormente en el siglo XX con las contribuciones de Schrödinger y el experimento de cuántico del gato de Schrödinger se pudieron comprender mejor estos fenómenos.

El experimento de la doble rendija ideado por Thomas Young para comprobar la naturaleza ondulatoria de la luz consistió en una placa metálica con dos rendijas, si la luz tuviera naturaleza corpuscular como expuso Newton, la luz se hubiera reflejado en la superficie proporcional al tamaño de las rendijas por detrás, pero no, la luz se comportó al igual que las ondas Mecánicas al igual que las

ondas. Esta noticia conmociono a los partidarios de la teoría corpuscular por lo que hasta a principios del siglo XX se trabajó únicamente con l naturaleza ondulatoria.

Según de Broglie, toda partícula de materia tiene una onda que la guía al moverse. Entonces, bajo las condiciones adecuadas, toda partícula producirá un patrón de interferencia o de difracción. Todos los cuerpos tienen una longitud de onda que se relaciona con su cantidad de movimiento como sigue:

Longitud deonda= hcantidadde movimiento

Principio de Incertidumbre

En mecánica cuántica el principio de incertidumbre establece la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas sean conocidos con precisión arbitraria, además afirma que no se puede determinar en términos de mecánica cuántica variables como son la posición y el movimiento lineal de un objeto dado. En términos simples cuanta mayor certeza se busque para determinar la posición de una partícula menos se conocen los movimientos lineales de esta.