LA NATURALEZA DE LA LUZNombre: Ivn Gallego HernndezCurso: 2 Bachillerato A

ndice Antecedentes del debate en la antigedad Newton frente a Huygens: teora corpuscular frente a teora ondulatoria. Recuperacin y desarrollo del modelo ondulatorio (siglo XIX): difraccin, dispersin, interferencias luminosas, polarizacin, efecto Doppler Ondas electromagnticas: espectros. Fotones: hiptesis de Planck-Einstein. Efecto fotoelctrico, efecto Compton. Experimentos realizados para determinar la velocidad de la luz: Experiencia de Roemer. Experiencia de Fizeau-Foucault.

ANTECEDENTES DEL DEBATE EN LA ANTIGEDAD Pitgoras (Siglo VI a.C.) y Platn (427 a.C. 347 a.C.)Ya en su poca, este plante que la luz emanaba del ojo en forma de rayos luminosos formados por partculas que se propagaban en lnea recta y chocaban con el objeto observado, siendo el acto visual el resultado de ese choque.Platn, tiempo despus, no tard en considerar tambin que nuestros ojos emitan pequeas partculas de luz que al llegar a los objetos los hacen visibles. As pues estos dos pensadores mantuvieron una idea de la luz asociada a la naturaleza corpuscular. Los atomistas: Leucipo, Demcrito y EpicuroEstos tambin adoptaron unaconcepcin corpuscularde la luz, pero dieron una explicacin sobre la visin ms elaborada. Sobre todo destaca Demcrito (460 a. de C. 360 a. de C.), quien supuso que los cuerpos emitan tomos de distintas formas y tamaos y que estos tomos portaban aspectos de la imagen de los cuerpos.

Aristteles (384 a. de C. - 322 a. de C.)No mucho tiempo despus, Aristteles hizo una propuesta sobre la visin que por primera vez estableca un tipo de relacin diferente entre el objeto y la imagen. Dicha propuesta puede ser considerada como un antecedente de los modeles ondulatorios, puesto que segn esta, se podan observar los objetos, no porque hubiera movimiento o emisin en ninguno de los dos sentidos, sino mediante una modificacin del medio interpuesto entre el ojo y la cosa vista. Aristteles aadi que si alrededor del ojo se hiciese el vaco completo (es decir, ausencia de todo medio) la visin sera imposible. Ren Descartes (1596-1650)Este fue el primero en establecer la teora corpuscular de la luz mediante una hiptesis contrastada con resultados experimentales. Descartes consideraba que las partculas de la luz tenan una velocidad de traslacin fija v, cuya reflexin en los espejos se explicaba mediante choques contra estos. Aunque se vio obligado a admitir que las partculas de la luz aumentan su velocidad al pasar de un medio menos denso a otro de densidad mayor. En el ejemplo del paso del aire al agua esto es difcil de justificar, ya que en el aire las partculas no encontraran ningn impedimento para su avance.

Fenmenos como la doble refraccin obirrefringencia, descrito por primera vez por el cientficoRasmus Bartholinen 1669y que consiste en el desdoblamiento de un rayo deluzincidente en dos rayos polarizados, llevaros a Christian Huygens (1629-1695) a desarrollar su propia teora sobre la naturaleza de la luz.

NEWTON FRENTE A HUYGENS: TEORA CORPUSCULAR FRENTE A TEORA ONDULATORIA.Huygens estableca que la luz, al igual que el sonido, se propagaba mediante un movimiento vibratorio, pero mientras que el sonido se propaga en el aire, la luz se propagaba en un medio llamado ter. Este ter es un medio sutil, que lo llena todo, incluido el vaco, y que posea una elasticidad perfecta. Christiaan Huygens naci en 1629 en La Haya, hijo de Constantin Huygens. Estepropuso que cada punto alcanzado por una perturbacin luminosa se converta en una fuente de una onda esfrica. La suma de estas ondas secundarias determina la forma de la onda en cualquier momento posterior. As consegua explicar los fenmenos de la refraccin y la reflexin. Concluy con que la velocidad de la luz debe ser menor en los medios ms densos, al contrario que Descartes. Adems consegua explicar el fenmeno de la doble refraccin.Sin embargo, su modelo ondulatorio tambin planteaba ciertas dificultades, ya que no era capaz de explicar la propagacin rectilnea de la luz ni de ciertos fenmenos que ms tarde fueron llamados de polarizacin. Esto se debi a que Huygens considera la luz, al igual que el sonido, como una onda longitudinal que no puede polarizarse. Fue debido a dificultades como esta, y al prestigio de Newton, lo que hizo que su teora no fuera tenida en cuenta por los cientficos de la poca.Por otro lado Isaac Newton (1643- 1727), tras su gran descubrimiento, la ley de gravitacin universal, trato de explicar los fenmenos magnticos, elctricos y luminosos de manera similar gracias a la teora corpuscular. Esta teora supone que la luz est formada por partculas materiales (llamadas corpsculos) que son emitidos por los cuerpos que reflejan la luz a gran velocidad y que posteriormente sern llamados fotones. As consigui explicar la propagacin rectilnea de la luz, la cual se propaga en lnea recta porque los corpsculos que la forman se mueven a una alta velocidad.Segn esta, la reflexin era debida a choques elsticos entre las partculas de la luz y la superficie reflectante. Como la diferencia de masas es muy grande los corpsculos rebotaban, de modo que la componente horizontal de la cantidad de movimiento px se mantiene constante mientras que la componente normal py cambia de sentido, haciendo que el ngulo de incidencia y de reflexin fueran iguales.Mientras tanto, la refraccin la explicaba mediante la atraccin entre las partculas de la luz y las del medio material.Tambin estableci que la luz blanca estaba conformada por los diferentes colores, ya que se deben a distintos tipos de corpsculos, cada uno responsable de un color.

Adems, trato de atribuir la difraccin a la atraccin entre los bordes de los objetos y las partculas luminosas, aunque en este no consigui profundizar. As, pese a las ventajas e inconvenientes de ambas teoras, acab siendo elegida la de Newton, cayendo en el olvido la teora ondulatoria a pesar de tener fieles seguidores.

RECUPERACIN Y DESARROLLO DEL MODELO ONDULATORIO (SIGLO XIX)Posteriormente resurgir de sus cenizas la teora ondulatoria gracias al ingls Thomas Young, que haba realizado experimentos en los que superpona la luz procedente de dos focos puntuales y observ que aparecan alternativamente anillos brillantes y oscuros, en lugar de dos zonas iluminadas correspondientes a cada uno de los focos, como caba esperar.Aos despus A.J Fresnel cambia totalmente el panorama explicando los fenmenos hasta entonces conocimos a travs de la teora ondulatoria.Ahora veremos si estos los siguientes fenmenos contribuyen a explicar la naturaleza corpuscular de la luz, o si, por el contrario, explican la naturaleza ondulatoria de la misma. Difraccin.Ladifraccinde la luz se explica fcilmente si se tiene en cuenta este efecto exclusivo de las ondas, por lo que contribuye a la explicacin de la naturaleza ondulatoria de la luz. Dispersin.Este fenmeno es el responsable de los arcoris. Apoyndonos en la ley de la refraccin, esta indica que si las luces que inciden sobre una superficie tienen distintas longitudes de onda, se refractan con ngulos diferentes. Por lo tanto, como la luz blanca es una mezcla de todas las ondas electromagnticas del espectro visible (del rojo al violeta), cada color se refractar con un ngulo distinto. Esto es explicable gracias a la naturaleza ondulatoria de la luz. Interferencias luminosas.Este es un fenmeno en el que dos o msondasse superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. Por lo tanto, apoya la naturaleza ondulatoria de la luz. Es fcilmente observable mediante el experimento de Young, en el cual vemos como tras difractar una onda luminosa dos veces se dan puntos en los que se superponen las ondas.

Polarizacin.El hecho de que pueda obtenerse luz polarizada contribuye a asignar a la luz una naturaleza ondulatoria transversal, ya que solo estas pueden presentar polarizacin, al contrario que las longitudinales. Efecto Doppler.Enunciado por el austriaco Christian Andreas Doppler, consiste en el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. Este fenmeno explica una caracterstica ondulatoria de la luz, siendo una ms de las pruebas sobre esta.

Cuerpo negro.Uncuerpo negroes unradiadortericamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en l. Fue explicado gracias a Planck, quien anunci que se tena que asumir que la luz de frecuencia es absorbida por mltiplos enteros de un cuanto de energa igual ah, dondehes una constante fsica universal llamadaConstante de Planck. Estos cuantos favorecan a explicar la naturaleza corpuscular de la luz. El efecto fotoelctrico y el efecto Compton.Cmo veremos en los siguientes apartados, ambos contribuirn a explicar la naturaleza corpuscular de la luz.

FENMENOS QUE EXPLICAN DISTINTAS NATURALEZAS DE LA LUZ

FENMENONATURALEZA ONDULATORIANATURALEZA CORPUSCULAR

Difraccin

Dispersin

Interferencias luminosas

Polarizacin

Efecto Doppler

Cuerpo negro

Efecto fotoelctrico

Efecto Compton

ONDAS ELECTROMAGNTICAS: ESPECTROS.Un espectro es como se denomina a la descomposicin de una onda compuesta en ondas simples, y segn sean el tipo de onda implicado se distinguen diferentes espectros (acstico, electromagntico).Para separar las ondas electromagnticas en sus componentes se usa la dispersin por un prisma o por una red de difraccin. El espectroscopio es usado para producir y analizar los espectros. Se acostumbra a llamar espectrmetro a los electroscopios con una escala graduada incorporada, para medir la longitud de onda de la radiacin analizada. Los espectrofotmetros son aquellos instrumentos destinados a la zona de luz visible y ultravioleta.Segn se estudie la energa emitida o absorbida, los espectros se clasifican en: Espectro de emisin: es el producido por las radiaciones electromagnticas que un cuerpo emite directamente, y depende de la propia naturaleza del cuerpo y de las condiciones a las que se encuentra. Nos encontramos con diferentes espectros como: el espectro de termoluminiscencia, cuando el cuerpo emite luz por debajo de la temperatura de incandescencia; el espectro de llama, cuando la emisin es producida al poner el material en una llama; el espectro de arco, si la luz corresponde al arco elctrico que se hace saltar entre dos electrodos de un material, y el espectro de chispa, si la luz corresponde a una chispa que salta tambin entre dos electrodos. La riqueza de radiaciones que emiten crece en el orden en que se han citado. Espectro de absorcin: indica las energas absorbidas por un cuerpo o sustancias. Cuando una radiacin formada por varias longitudes de onda atraviesas un cuerpo, algunas de estas desaparecen, dejando en su lugar rayas o bandas oscuras (espectro de absorcin), que corresponden a las emisiones de dicha sustancia.Otra forma de clasificar los espectros es: Espectros de rayas: cuando se separan las radiaciones emitidas o absorbidas, mediante un prisma, proporcionaran un espectro discontinuo, es decir, de rayas, sin los valores intermedios entre unas y otras. Este tipo de espectro es tpico de cada tomo, y sirve para identificarlo. Fue el estudio del espectro del tomo de hidrgeno lo que condujo a Niels Bohr a su modelo atmico. Espectros de bandas: son propios de las molculas, y en estos, al separar las radiaciones emitidas o absorbidas con un espectroscopio, aparecen bandas en lugar de lneas concretas. Adems, gracias a la posicin de las bandas es posible identificar una molcula especificada. Espectros continuos: presentan toda la gama de energa de la regin escogida, por lo que no se observan discontinuidades entre dos longitudes de onda cualquiera. Por ejemplo, el espectro de la luz solar o de los slidos incandescentes. La viabilidad del modelo de Rutherford fue derrumbada debido al hecho de que los espectros de los tomos fueran discontinuos.Johaan Jakob Balmer, estudiando el espectro visible del hidrgeno, dedujo, en 1885, una relacin para las longitudes de onda que lo formaban. Relacin que se limitaba a indicar que las radiaciones emitidas se adaptaban a una ley y no tenan una distribucin tan irregular como se crea.Posteriormente, Johannes Rydberg, ampli la frmula de Balmer a todas las lneas del espectro del hidrgeno, quedando la parte visible de este como un caso particular (n = 2).Las radiaciones del espectro del hidrgeno son: serie de Lyman (n =1), serie de Balmer (n=2), serie de Paschen (n=3), serie de Brackett (n=4) y serie de Pfund (n=5), y la relacin que se encontr fue esta: Donde n y m son nmeros naturales, y R es la constante de Rydberg = 10 973 732 m-1

Hoy en da el estudio de los espectros (zonas de radio, rayos gamma) es una herramienta imprescindible de anlisis, ya que se puede hacer una determinacin cuantitativa a partir de la intensidad de la radiacin espectral. Adems, en radioastronoma, el anlisis de los espectros nos ha llegado a revelar su composicin qumica.

FOTONES: HIPTESIS DE PLANCK-EINSTEIN. EFECTO FOTOELCTRICO, EFECTO COMPTON Teora de Planck:Max Planck centr su actividad en el estudio de la termodinmica y de las radiaciones. En 1900, anunci una ecuacin que resultaba vlida para todo el espectro de frecuencias. Postul que la emisin de radiacin electromagntica se produce en forma de diminutas cantidades elementales que se llamaron quanta. Esto significaba que la radiacin no es continua, por lo que los tomos no pueden absorber o emitir cualquier valor de energa, sino solo unos valores concretos. La energa correspondiente a cada uno de los quanta es igual a:Siendo h, la constante de Planck = 6.626 10-34Js, y la v = frecuencia. Dicha constante es una de las constantes fundamentales del universo.

La ley de la radiacin de Planck fue uno de los pilares de la teora cuntica, y estableca que implcitamente los fenmenos subatmicos son de naturaleza discontinua por lo que en ellos no son aplicables las leyes de la mecnica clsica que han sido deducidas para procesos continuos. Efecto fotoelctricoAlbert Einstein public en 1905 un trabajo que daba una explicacin clara y sencilla del efecto fotoelctrico que era conocido des haca tiempo.Lo que Einstein explic fue que una partcula de luz o foto penetra en el metal e interacciona con algn electrn poco ligado a los tomos integrantes del metal. La energa que transportaba el fotn (E = hf) se utiliza para separar el electrn de la atraccin de los ncleos positivos y, si estaba en exceso, para comunicar al electrn la energa cintica con la que abandona la superficie del metal.Este es el ms caracterstico del efecto fotoelctrico, y es llamado externo o fotoemisin. En la llamada fotoconduccin, la emisin es interna y en el efecto fotovoltaico, se genera una diferencia de potencial entre dos piezas de material distinto, en contacto y expuestas a la luz.La energa umbral, es la justa para arrancar el electrn del metal, y se denomina funcin de trabajo, esta es tpica de cada metal. = constante de Planck= 6,62610-34 J s.me = masa del electrn= 9,10910-31kgV = velocidad con la que es arrancando el e-W = funcin de trabajo

El efecto fotoelctrico se ha aprovechado en multitud de dispositivos basados en la deteccin de radiacin electromagntica: los mecanismos de apertura y cierre de circuitos elctricos de acuerdo con la luz incidente, las alarmas que se disparan cuando se intercepta un rayo de radiacin electromagntica, etc. Las clulas fotoemisivas clsicas o fototubos constaban de un ctodo de metal alcalino, generalmente semicilndrico. En cambio, las clulas fotovoltaicas modernas estn basadas en una unin de semiconductores p-n como el germanio o el silicio. Estas tienen un rendimiento superior a las antiguas.

Efecto ComptonEl estudio de la difraccin de rayos X sobre determinados materiales proporcionara otra prueba a favor de la teora dualista. Algunos de los rayos difractados no eran de igual longitud de onda que los incidentes. Adems, su longitud de onda dependa del ngulo de salida.En 1923, Arthur Holly Compton descubri que algunos rayos X, al dispersarse a travs de la materia, perdan energa y, en consecuencia, su longitud de onda.Este efecto desde el punto de vista de la naturaleza ondulatoria de los rayos X no admite explicacin alguna, pero el efecto es justamente el que cabra esperar de una radiacin corpuscular que cocha contra otros corpsculos materiales como los electrones. La relacin matemtica es esta: = longitud de onda dispersada.0 = longitud de onda incipiente.C = 2,988 108 m s-1. = ngulo de dispersin.

EXPERIMENTOS REALIZADOS PARA DETERMINAR LA VELOCIDAD DE LA LUZ:

Experimento de Rmer. Ole Christensen Rmer(1644 -1710) fue un astrnomodans, el cual aport una de las primeras afirmaciones sobre la velocidad casi infinita de la luz. Las observaciones del primer satlite de Jpiter efectuadas por Rmer yGiovanni Domnico Cassiniindicaron una desigualdad, que los dos sabios creyeron poder atribuir a la propagacin sucesiva de la luz. As, durante un largo tiempo, Romer desarrollo un experimento a escala planetaria mediante la observacin minuciosa del satlite Io de Jpiter y su relacin con la rbita elptica de la Tierra, que tendr como resultado la medicin de la velocidad de la luz con un margen de error del 30%, lo cual, teniendo en cuenta las disposiciones tcnicas de la poca, supone un gran hito.

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Rmer haba observado que los eclipses de las lunas de Jupiter (y en concreto Io) retrasaban o adelantaban segn la Tierra se alejaba de o se acercaba a Jupiter. Rmer dedujo la velocidad de la luz de medir la diferencia de tiempos mxima entre lo previsto y lo observado y la nueva medida de la rbita terrestre. La idea es simple, y puede ser esquematizada segn se ve en la figura. La luz tiene que recorrer aproximadamente una distancia extra.Entre las dos posiciones de la Tierra separadas por un nguloA, donde hemos supuesto que el nguloBes pequeo. Dividiendo esta distancia por el tiempo de retraso que se mide en la observacin de los eclipses de las lunas con respecto al esperado en los clculos de rbitas obtenemos una estimacin de la velocidad de la luz. Rmer obtuvo una velocidad de 225,000 km/s. Siguiendo el mismo mtodo, hoy podemos estimar esta velocidad en 298,000 km/s. Experiencia de Fizeau Foucault.

Fizeau(1819-1896) yLon Foucault(1819-1868), nacidos ambos el mismo ao y amigos, fueron dos de los fsicos ms relevantes del siglo XIX. Durante su vida la teora dominante sobre la naturaleza de la luz era la ondulatoria lo cual les condujo a estudiar los resultados obtenidos en los experimentos realizados por Young y Fresnel.Adems, debido a que la velocidad de la luz solamente se haba conseguido medir por medios astronmicos (gracias a Romer) nicamente se conoca dicho valor en el vaco. Esto implicaba que para asegurar la naturaleza de la luz, se deba determinar la velocidad de esta en algn medio refrigerante, como el agua, ya que si esta resultaba mayor que en el vaco implicara la demostracin de su naturaleza corpuscular. Y en caso contrario resultara ondulatoria.

En 1849, Hippolyte Fizeaurealiza la primera determinacin precisa de la velocidad de la luz en la Tierra. Utiliza una rueda dentada de 720 dientes, fabricada con gran precisin y que gira a una velocidad conocida y constante. Gracias a un soplete de hidrgeno y oxgeno produce una luz muy brillante que dirige a travs de uno de los espacios que existe entre dos dientes de la rueda. Cuando la rueda se hace girar, el rayo de luz se interrumpe al ir interponindose en su camino los dientes de la rueda, que lo "corta en trozos". Dicho rayo se dirige a un espejo situado a 8.633 metros de distancia, que lo refleja de nuevo hacia la rueda dentada, hacindolo pasar en su camino de vuelta por el mismo punto por el que ha pasado en el camino de ida.Si la rueda est parada, Fizeau ve perfectamente el rayo luminoso de vuelta, y tan solo este, qua que el de ida no pasa por el ojo del observador. Si se hace girar ms rpido la rueda, llega un momento en el que el tiempo que tarda la luz en recorrer los 17266 metros es suficiente para que la rueda haya girado y el trozo de rayo de vuelta encuentre un diente en vez de un hueco. La velocidad de rotacin para la que ocurre este proceso es de 12,6 revoluciones por segundo. Habiendo obtenido este dato, es fcil calcular la velocidad de la luz pues sabemos:

As consigui determinarse que la velocidad de la luz es de 313.000 kilmetros por segundo, aunque todava era inexacto fue un gran avance. El mtodo de Fizeau fue reproducindose en adelante, hasta que Lon Foucault profundiz considerablemente en las mejoras de este ya que reemplaz el engranaje con un espejo rotatorio, lo que aumento la precisin de dicho mtodo.Foucault parta de la certeza de que tratar de medir la velocidad de la luz en pequeas distancias era intil, por lo quesimula una distancia verdaderamente grande gracias a los espejos. En su aparato un pequeo rayo de luz pasaba a travs de una abertura y luego a travs de una ventana de vidrio con una escala finamente graduada antes de impactar en el espejo que gira rpidamente. La luz reflejada por este se diriga a travs de una serie de espejos fijos en forma de zigzag que servan para aumentar la distancia recorrida por el rayo. En el tiempo que lellevaba a la luz reflejarse a travs de la serie de espejos y volver al espejo giratorio, haba ocurridoun ligero cambio en la posicin del espejo, lo que haca que la luz reflejada desde el espejo giratorio siguiera un nuevo camino de regreso a la fuente. en la luz se poda ver a travs del microscopio. Mediante el anlisis de los datos recogidos sobre el pequeo cambio en el espejo giratorio, Foucault fue capaz de calcular la velocidad de la luz como 298.000 kilmetros por segundo.Adems, este introdujo un tubo lleno de agua entre la rueda y el espejo y consigui comprobar que la velocidad de la luz en el agua es menor que en aire, lo que apoyaba la teora ondulatoria de la luz.

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