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Luz

Para otros usos de este término, véase Luz (desambiguación).

La luz (del latín lux, lucis) es la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano.​ En física, el término luz se considera como parte del campo de las radiaciones conocido como espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible. La luz, como todas las radiaciones electromagnéticas, está formada por partículas elementales desprovistas de masa denominadas fotones,​cuyas propiedades de acuerdo con la dualidad onda-partícula explican las características de su comportamiento físico. Se trata de una onda esférica.

Rayo de luz solar dispersado por partículas de polvo en el cañón del Antílope, en Estados Unidos.
Láseres

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus diferentes manifestaciones.

Índice

Artículo principal: Velocidad de la luz

Se ha demostrado de manera teórica y experimental que la luz tiene una velocidad finita. La primera medición con éxito fue hecha por el astrónomo danés Ole Roemer en 1676 y desde entonces numerosos experimentos han mejorado la precisión con la que se conoce el dato. Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la luz en el vacío es de 299 792 458 m/s.

La velocidad de la luz al propagarse a través de la materia es menor que a través del vacío y depende de las propiedades dieléctricas del medio y de la energía de la luz. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio se denomina índice de refracción del medio: n = c v {\displaystyle n={\frac {c}{v}}}

La línea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio entre la Tierra y la Luna, alrededor de 1,26 segundos.
Artículo principal: Refracción
En esta ilustración se muestra la descomposición de la luz al atravesar un prisma.
Ejemplo de la refracción. La pajita parece partida, por la refracción de la luz al paso desde el líquido al aire.

La refracción es la variación brusca de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Este fenómeno se debe a que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por el que viaja. El cambio de dirección es mayor cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz recorre mayor distancia en su desplazamiento por el medio en que va más rápido. La ley de Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad por medio de los índices de refracción de los medios.

Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromática a través de un medio con caras no paralelas, como un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado dispersión refractiva. Si el medio tiene las caras paralelas, la luz se vuelve a recomponer al salir de él.

Ejemplos muy comunes de la refracción es la ruptura aparente que se ve en un lápiz al introducirlo en agua o el arcoíris.

Artículo principal: Difracción
Sombra de una canica.

Una de las propiedades de la luz más evidentes a simple vista es que se propaga en línea recta. Lo podemos ver, por ejemplo, en la propagación de un rayo de luz a través de ambientes polvorientos o de atmósferas saturadas. La óptica geométrica parte de esta premisa para predecir la posición de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su transmisión.

Luz en la persiana.

De la propagación de la luz y su encuentro con objetos surgen las sombras. Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, obtendremos sobre ella la sombra del cuerpo. Si el origen de la luz o foco se encuentra lejos del cuerpo, de tal forma que, relativamente, sea más pequeño que el cuerpo, se producirá una sombra definida. Si se acerca el foco al cuerpo surgirá una sombra en la que se distinguen una región más clara denominada penumbra y otra más oscura denominada umbra.

Sin embargo, la luz no siempre se propaga en línea recta. Cuando la luz atraviesa un obstáculo puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se curva ligeramente. Este fenómeno, denominado difracción, es el responsable de que al mirar a través de un agujero muy pequeño todo se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un número de aumentos máximo limitado.

Artículo principal: Interferencia

La forma más sencilla de estudiar el fenómeno de la interferencia es con el denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromática (de un solo color) en una pantalla que tiene una rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.

El fenómeno de las interferencias se puede ver también de forma natural en las manchas de aceite sobre los charcos de agua o en la cara con información de los discos compactos; ambos tienen una superficie que, cuando se ilumina con luz blanca, la difracta, produciéndose una cancelación por interferencias, en función del ángulo de incidencia de la luz, de cada uno de los colores que contiene, permitiendo verlos separados, como en un arco iris.

Pez ballesta reflejado.

Al incidir la luz en un cuerpo, la materia de la que está constituido retiene unos instantes su energía y a continuación la reemite en todas las direcciones. Este fenómeno es denominado reflexión. Sin embargo, en superficies ópticamente lisas, debido a interferencias destructivas, la mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el mismo ángulo que incidió. Ejemplos simples de este efecto son los espejos, los metales pulidos o el agua de un río (que tiene el fondo oscuro).

La luz también se refleja por medio del fenómeno denominado reflexión interna total, que se produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un medio en que su velocidad es más lenta a otro más rápido, con un determinado ángulo. Se produce una refracción de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente. Esta reflexión es la responsable de los destellos en un diamante tallado.

En el vacío, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda del espectro visible, pero cuando atraviesa sustancias materiales la velocidad se reduce y varía para cada una de las distintas longitudes de onda del espectro, este efecto se denomina dispersión. Gracias a este fenómeno podemos ver los colores del arcoíris. El color azul del cielo se debe a la luz del sol dispersada por la atmósfera. El color blanco de las nubes o el de la leche también se debe a la dispersión de la luz por las gotitas de agua o por las partículas de grasa en suspensión que contienen respectivamente.

Polarizador.

El fenómeno de la polarización se observa en unos cristales determinados que individualmente son transparentes. Sin embargo, si se colocan dos en serie, paralelos entre sí y con uno girado un determinado ángulo con respecto al otro, la luz no puede atravesarlos. Si se va rotando uno de los cristales, la luz empieza a atravesarlos alcanzándose la máxima intensidad cuando se ha rotado el cristal 90° sexagesimales respecto al ángulo de total oscuridad.

También se puede obtener luz polarizada a través de la reflexión de la luz. La luz reflejada está parcial o totalmente polarizada dependiendo del ángulo de incidencia. El ángulo que provoca una polarización total se llama ángulo de Brewster.

Muchas gafas de sol y filtros para cámaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos.

Artículo principal: Fotoquímica

Algunas sustancias al absorber luz, sufren cambios químicos; utilizan la energía que la luz les transfiere para alcanzar los niveles energéticos necesarios para reaccionar, para obtener una conformación estructural más adecuada para llevar a cabo una reacción o para romper algún enlace de su estructura (fotólisis).

La fotosíntesis en las plantas, que generan azúcares a partir de dióxido de carbono, agua y luz; la síntesis de vitamina D en la piel; la ruptura de dihalógenos con luz en las reacciones radicalarias o el proceso de visión en el ojo, producido por la isomerización del retinol con la luz, son ejemplos de reacciones fotoquímicas. El área de la química encargada del estudio de estos fenómenos es la fotoquímica.

Artículo principal: Historia de la óptica

A principios del siglo XVIII era creencia generalizada que la luz estaba compuesta de pequeñas partículas. Fenómenos como la reflexión, la refracción y las sombras de los cuerpos, se podían esperar de torrentes de partículas. Isaac Newton demostró que la refracción estaba provocada por el cambio de velocidad de la luz al cambiar de medio y trató de explicarlo diciendo que las partículas aumentaban su velocidad al aumentar la densidad del medio. La comunidad científica, consciente del prestigio de Newton, aceptó su teoría corpuscular.

En la cuneta quedaba la teoría de Christian Huygens que en 1678 propuso que la luz era un fenómeno ondulatorio que se transmitía a través de un medio llamado éter. Esta teoría quedó olvidada hasta la primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas Young solo era capaz de explicar el fenómeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese en realidad una onda. Otros estudios de la misma época explicaron fenómenos como la difracción y la polarización teniendo en cuenta la teoría ondulatoria.

El golpe final a la teoría corpuscular pareció llegar en 1848, cuando se consiguió medir la velocidad de la luz en diferentes medios y se encontró que variaba de forma totalmente opuesta a como lo había supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los científicos aceptaron que la luz tenía una naturaleza ondulatoria. Sin embargo, todavía quedaban algunos puntos por explicar, como la propagación de la luz a través del vacío, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio físico, y la luz viajaba incluso más rápido que en el aire o el agua. Se suponía que este medio era el éter del que hablaba Huygens, pero nadie lo conseguía encontrar.

En 1845, Michael Faraday descubrió que el ángulo de polarización de la luz se podía modificar aplicándole un campo magnético (efecto Faraday), proponiendo dos años más tarde que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia. James Clerk Maxwell, inspirado por el trabajo de Faraday, estudió matemáticamente estas ondas electromagnéticas y se dio cuenta de que siempre se propagaban a una velocidad constante, que coincidía con la velocidad de la luz, y de que no necesitaban medio de propagación ya que se autopropagaban. La confirmación experimental de las teorías de Maxwell eliminó las últimas dudas que se tenían sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.

No obstante, a finales del siglo XIX, se fueron encontrando nuevos efectos que no se podían explicar suponiendo que la luz fuese una onda, como, por ejemplo, el efecto fotoeléctrico, esto es, la emisión de electrones de las superficies de sólidos y líquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el proceso de absorción y emisión de energía por parte de la materia solo se podían explicar si uno asumía que la luz se componía de partículas. Entonces la ciencia llegó a un punto muy complicado e incómodo: se conocían muchos efectos de la luz, sin embargo, unos solo se podían explicar si se consideraba que la luz era una onda, y otros solo se podían explicar si la luz era una partícula.

El intento de explicar esta dualidad onda-partícula, impulsó el desarrollo de la física durante el siglo XX. Otras ciencias, como la biología o la química, se vieron revolucionadas ante las nuevas teorías sobre la luz y su relación con la materia.

La luz presenta una naturaleza compleja: depende de cómo la observemos se manifestará como una onda o como una partícula. Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios (véase dualidad onda corpúsculo). Sin embargo, para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza, podemos clasificar los distintos fenómenos en los que participa según su interpretación teórica:

Teoría ondulatoria

Descripción

Esta teoría, desarrollada por Christiaan Huygens, considera que la luz es una onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma, la onda se autopropaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose continuamente. Estas ondas electromagnéticas son sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación.

Para poder describir una onda electromagnética podemos utilizar los parámetros habituales de cualquier onda:

  • Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento.
  • Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio.
  • Frecuencia (ν): Número de oscilaciones del campo por unidad de tiempo. Es una cantidad inversa al periodo.
  • Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas.
  • Velocidad de propagación (V): Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c.

La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionadas por las siguientes ecuaciones:

v = λ f = λ T {\displaystyle v=\lambda \cdot \ f={\frac {\lambda }{T}}}

Fenómenos ondulatorios

Véase también: Movimiento ondulatorio

Algunos de los fenómenos más importantes de la luz se pueden comprender fácilmente si se considera que tiene un comportamiento ondulatorio.

El principio de superposición de ondas nos permite explicar el fenómeno de la interferencia: si juntamos en el mismo lugar dos ondas con la misma longitud de onda y amplitud, si están en fase (las crestas de las ondas coinciden) formarán una interferencia constructiva y la intensidad de la onda resultante será máxima e igual a dos veces la amplitud de las ondas que la conforman. Si están desfasadas, habrá un punto donde el desfase sea máximo (la cresta de la onda coincida exactamente con un valle) formándose una interferencia destructiva, anulándose la onda. El experimento de Young, con sus rendijas, nos permite obtener dos focos de luz de la misma longitud de onda y amplitud, creando un patrón de interferencias sobre una pantalla.

Las ondas cambian su dirección de propagación al cruzar un obstáculo puntiagudo o al pasar por una abertura estrecha. Como recoge el principio de Fresnel - Huygens, cada punto de un frente de ondas es un emisor de un nuevo frente de ondas que se propagan en todas las direcciones. La suma de todos los nuevos frentes de ondas hace que la perturbación se siga propagando en la dirección original. Sin embargo, si por medio de una rendija o de un obstáculo puntiagudo, se separa uno o unos pocos de los nuevos emisores de ondas, predominará la nueva dirección de propagación frente a la original.

Onda propagándose a través de una rendija.

La difracción de la luz se explica fácilmente si se tiene en cuenta este efecto exclusivo de las ondas. La refracción, también se puede explicar utilizando este principio, teniendo en cuenta que los nuevos frentes de onda generados en el nuevo medio, no se transmitirán con la misma velocidad que en el anterior medio, generando una distorsión en la dirección de propagación:

Refracción de la luz según el principio de Huygens.

Otro fenómeno de la luz fácilmente identificable con su naturaleza ondulatoria es la polarización. La luz no polarizada está compuesta por ondas que vibran en todos los ángulos, al llegar a un medio polarizador, solo las ondas que vibran en un ángulo determinado consiguen atravesar el medio, al poner otro polarizador a continuación, si el ángulo que deja pasar el medio coincide con el ángulo de vibración de la onda, la luz pasará íntegra, si no solo una parte pasará hasta llegar a un ángulo de 90º entre los dos polarizadores, donde no pasará nada de luz.

Dos polarizadores en serie.

Este efecto, además, permite demostrar el carácter transversal de la luz (sus ondas vibran en dirección perpendicular a la dirección de propagación).

El efecto Faraday y el cálculo de la velocidad de la luz, c, a partir de constantes eléctricas (permitividad, ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} ) y magnéticas (permeabilidad, μ 0 {\displaystyle \mu _{0}} ) por parte de la teoría de Maxwell:

c = 1 ε 0 μ 0 {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}}

confirman que las ondas de las que está compuesta la luz son de naturaleza electromagnética. Esta teoría fue capaz, también, de eliminar la principal objeción a la teoría ondulatoria de la luz, que era encontrar la manera de que las ondas se trasladasen sin un medio material.

Teorías corpusculares

Descripción

La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de transportar todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación resurgió debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía solo en cantidades discretas (múltiplos de un valor mínimo) de energía denominadas cuantos. Este hecho es difícil de combinar con la idea de que la energía de la luz se emita en forma de ondas, pero es fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.

Fenómenos corpusculares

Existen tres efectos que demuestran el carácter corpuscular de la luz. Según el orden histórico, el primer efecto que no se pudo explicar por la concepción ondulatoria de la luz fue la radiación del cuerpo negro.

Un cuerpo negro es un radiador teóricamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en él y por eso, cuando se calienta se convierte en un emisor ideal de radiación térmica, que permite estudiar con claridad el proceso de intercambio de energía entre radiación y materia. La distribución de frecuencias observadas de la radiación emitida por la caja a una temperatura de la cavidad dada, no se correspondía con las predicciones teóricas de la física clásica. Para poder explicarlo, Max Planck, al comienzo del siglo XX, postuló que para ser descrita correctamente, se tenía que asumir que la luz de frecuencia ν es absorbida por múltiplos enteros de un cuanto de energía igual a , donde h es una constante física universal llamada Constante de Planck.

E = h ν {\displaystyle \displaystyle E=h\nu }

En 1905, Albert Einstein utilizó la teoría cuántica recién desarrollada por Planck para explicar otro fenómeno no comprendido por la física clásica: el efecto fotoeléctrico. Este efecto consiste en que cuando un rayo monocromático de radiación electromagnética ilumina la superficie de un sólido (y, a veces, la de un líquido), se desprenden electrones en un fenómeno conocido como fotoemisión o efecto fotoeléctrico externo. Estos electrones poseen una energía cinética que puede ser medida electrónicamente con un colector con carga negativa conectado a la superficie emisora. No se podía entender que la emisión de los llamados "fotoelectrones" fuese inmediata e independiente de la intensidad del rayo. Eran incluso capaces de salir despedidos con intensidades extremadamente bajas, lo que excluía la posibilidad de que la superficie acumulase de alguna forma la energía suficiente para disparar los electrones. Además, el número de electrones era proporcional a la intensidad del rayo incidente. Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico podía ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba formada de fotones de energía , parte de esta energía 0 se utilizaba para romper las fuerzas que unían el electrón con la materia, el resto de la energía aparecía como la energía cinética de los electrones emitidos:

1 2 m v m a x 2 = h ( ν ν 0 ) {\displaystyle {\frac {1}{2}}mv_{\mathrm {max} }^{2}=h(\nu -\nu _{0})}

donde m es la masa del electrón, vmáx la velocidad máxima observada, ν es la frecuencia de la luz iluminante y ν0 es la frecuencia umbral característica del sólido emisor.

La demostración final fue aportada por Arthur Compton que observó como al hacer incidir rayos X sobre elementos ligeros, estos se dispersaban con menor energía y además se desprendían electrones (fenómeno posteriormente denominado en su honor como efecto Compton). Compton, ayudándose de las teorías anteriores, le dio una explicación satisfactoria al problema tratando la luz como partículas que chocan elásticamente con los electrones como dos bolas de billar. El fotón, corpúsculo de luz, golpea al electrón: el electrón sale disparado con una parte de la energía del fotón y el fotón refleja su menor energía en su frecuencia. Las direcciones relativas en las que salen despedidos ambos están de acuerdo con los cálculos que utilizan la conservación de la energía y el momento.

Otro fenómeno que demuestra la teoría corpuscular es la presión luminosa.

Teorías cuánticas

Diagrama de Feynman donde se muestra el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y γ {\displaystyle \gamma \,} ) entre un positrón y un electrón.

La necesidad de reconciliar las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético, que describen el carácter ondulatorio electromagnético de la luz, con la naturaleza corpuscular de los fotones, ha hecho que aparezcan varías teorías que están aún lejos de dar un tratamiento unificado satisfactorio. Estas teorías incorporan por un lado, la teoría de la electrodinámica cuántica, desarrollada a partir de los artículos de Dirac, Jordan, Heisenberg y Pauli, y por otro lado la mecánica cuántica de de Broglie, Heisenberg y Schrödinger.

Paul Dirac dio el primer paso con su ecuación de ondas que aportó una síntesis de las teorías ondulatoria y corpuscular, ya que siendo una ecuación de ondas electromagnéticas su solución requería ondas cuantizadas, es decir, partículas. Su ecuación consistía en reescribir las ecuaciones de Maxwell de tal forma que se pareciesen a las ecuaciones hamiltonianas de la mecánica clásica. A continuación, utilizando el mismo formalismo que, a través de la introducción del cuanto de acción hν, transforma las ecuaciones de mecánica clásica en ecuaciones de mecánica ondulatoria, Dirac obtuvo una nueva ecuación del campo electromagnético. Las soluciones a esta ecuación requerían ondas cuantizadas, sujetas al principio de incertidumbre de Heisenberg, cuya superposición representaban el campo electromagnético. Gracias a esta ecuación podemos conocer una descripción de la probabilidad de que ocurra una interacción u observación dada, en una región determinada.

Existen aún muchas dificultades teóricas sin resolverse, sin embargo, la incorporación de nuevas teorías procedentes de la experimentación con partículas elementales, así como de teorías sobre el comportamiento de los núcleos atómicos, nos han permitido obtener una formulación adicional de gran ayuda.

Efectos relativistas

Sin embargo, existían aún algunas situaciones en las que la luz no se comportaba según lo esperado por las teorías anteriores.

Luz en movimiento

La primera de estas situaciones inexplicables se producía cuando la luz se emitía, se transmitía o se recibía por cuerpos o medios en movimiento. Era de esperar, según la física clásica, que la velocidad en estos casos fuese el resultado de sumar a la velocidad de la luz, la velocidad del cuerpo o del medio. Sin embargo, se encontraron varios casos en los que no era así:

En 1818, Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad a la que la luz atravesaba un líquido en movimiento. Para ello, se haría atravesar a la luz una columna de un líquido que fluyese a una velocidad v relativa al observador. Conociendo la velocidad v' a la que se trasmite la luz a través de ese medio, a través del índice de refracción (n), se calculó que la velocidad total de la luz en ese fluido sería:

v t = v + v {\displaystyle \displaystyle v_{t}=v'+v}

Sin embargo, cuando en 1851, el físico francés Hippolyte Fizeau llevó a cabo el experimento, comprobó que la velocidad a la que la luz atravesaba el líquido en movimiento no era la calculada sino:

v t = v + v ( 1 1 n 2 ) {\displaystyle v_{t}=v'+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}

es decir, que la velocidad del fluido contaba menos en la velocidad final si la velocidad con la que atravesaba la luz ese fluido era mayor.

En 1725, James Bradley descubrió que la posición observada de las estrellas en el firmamento variaba anualmente con respecto a la posición real en un intervalo de 41 segundos de arco. La teoría que propuso para explicarlo fue que esta variación se debía a la combinación de la velocidad de la tierra al rotar alrededor del sol con la velocidad finita de la luz. Gracias a esta teoría fue capaz de calcular la velocidad de la luz de una forma aceptable. Basándose en este efecto, el astrónomo inglés George Airy comparó el ángulo de aberración en un telescopio antes y después de llenarlo de agua, y descubrió que, en contra de sus expectativas, no había diferencia en sus mediciones (la luz no variaba de velocidad a pesar de que el fluido se movía a la velocidad de la tierra).

Teniendo en cuenta este experimento, los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley propusieron un experimento (véase Experimento de Michelson y Morley) para medir la velocidad a la que fluía el éter con respecto a la Tierra. Suponían que el éter se movía en una dirección concreta con una velocidad determinada, por eso, debido a la translación de la Tierra alrededor del Sol habría épocas del año en el que tendríamos una componente de esa velocidad a favor y otras épocas en contra, por lo que supusieron que cuando lo tuviésemos a favor, la velocidad de la luz sería superior y cuando lo tuviésemos en contra sería inferior. Para ello midieron la velocidad de la luz en diferentes estaciones del año y observaron que no había ninguna diferencia. Y lo más curioso: que ni siquiera había diferencias debidas a la propia velocidad de translación de la Tierra (30 km/s).

En 1905, Albert Einstein dio una explicación satisfactoria con su teoría de la relatividad especial, en la que, en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isótropa, es decir, independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente.

Distorsiones espectrales

Artículo principal: Desplazamiento al rojo
Desplazamiento nebular.

Al comparar el espectro de la luz procedente de algunos cuerpos celestes, con los espectros medidos en el laboratorio de los mismos elementos que los que contienen esos cuerpos, se observa que no son iguales, ya que las líneas espectrales procedentes del espacio están desplazadas hacia posiciones de mayor longitud de onda, es decir, hacia el lado rojo del espectro en lugares de menor energía.

Se han encontrado dos tipos diferentes de desplazamientos de líneas espectrales:

Desplazamiento nebular

Uno, el más común, llamado desplazamiento nebular es un desplazamiento sistemático de los espectros procedentes de las estrellas y galaxias. Edwin Hubble tras estudiar el corrimiento de los espectros de las nebulosas, lo interpretó como el resultado del efecto Doppler debido a la expansión continua del universo. Gracias a esto propuso una fórmula capaz de calcular la distancia que nos separa de un cuerpo determinado analizando el corrimiento de su espectro:

Δ λ λ = 1 , 7 10 9 d {\displaystyle {\frac {\Delta \lambda }{\lambda }}=1,7\cdot 10^{-9}d}

donde Δλ es la diferencia entre las longitudes de onda del espectro del cuerpo y la esperada, λ es la longitud de onda esperada y d, la distancia en pársecs.

Desplazamiento gravitacional

El otro, mucho más extraño se llama desplazamiento gravitacional o efecto Einstein, observado en espectros de cuerpos extremadamente densos. El ejemplo más famoso es el espectro del llamado compañero oscuro de Sirio. La existencia de este compañero fue predicha por Friedrich Bessel en 1844 basándose en una perturbación que observó en el movimiento de Sirio, pero debido a su débil luminosidad, no fue descubierto hasta 1861. Este compañero es una enana blanca que tiene una masa comparable a la del Sol pero en un radio aproximadamente cien veces menor, por lo que su densidad es inmensa (61.000 veces la del agua). Al estudiarse su espectro, se observa un desplazamiento de 0,3 Å de la línea ß de la serie Balmer del hidrógeno.

Teoría de la relatividad general

Artículo principal: Relatividad general

Para que su anterior teoría de la relatividad especial abarcase también los fenómenos gravitatorios, Albert Einstein, entre 1907 y 1915 desarrolló la teoría de la relatividad general. Una de las principales conclusiones de esta teoría es que la gravedad influye en la propagación de la luz, representada en la teoría por el potencial gravitatorio Φ, descrito por:

Φ = G M R {\displaystyle \Phi ={\frac {-GM}{R}}}

donde G es la Constante de gravitación universal, M la masa y R la distancia al objeto que genera el campo gravitatorio.

Einstein encontró que la luz, al pasar por un campo gravitatorio de potencial Φ sufría una disminución de su velocidad, según la fórmula:

c = c 0 ( 1 + Φ c 0 2 ) {\displaystyle c=c_{0}\left(1+{\frac {\Phi }{c_{0}^{2}}}\right)}

donde c0 es la velocidad de la luz sin campo gravitatorio y c es la velocidad con él.

También se ve modificada la frecuencia de la luz emitida por una fuente en un campo gravitatorio

ν = ν 0 ( 1 + Φ c 0 2 ) {\displaystyle \nu =\nu _{0}\left(1+{\frac {\Phi }{c_{0}^{2}}}\right)}

lo que explica el desplazamiento gravitacional. Otro ejemplo que confirma experimentalmente este punto de la teoría son las líneas espectrales del sol, que están desplazadas hacia el rojo en un valor de dos millonésimas cuando se comparan con las generadas por los mismos elementos en la Tierra.

Por último, en esta relación entre luz y gravedad, esta teoría predijo que los rayos de luz al pasar cerca de un cuerpo pesado se desviaban en un ángulo α determinado por el efecto de su campo gravitatorio, según la relación:

α = 4 G M c 2 R {\displaystyle \alpha ={\frac {4GM}{c^{2}R}}}

Este punto de la teoría se pudo confirmar experimentalmente estudiando el desvío de la luz que provocaba el sol. Para comprobarlo, los científicos estudiaron la posición de las estrellas del área alrededor del sol aprovechando un eclipse en 1931. Se vio que, como predecía la teoría, estaban desviadas hasta 2,2 segundos de arco comparadas con fotos de la misma área realizadas 6 meses antes.

Radiación y materia

Artículo principal: Dualidad onda corpúsculo

Al formular su ecuación de ondas para un electrón libre, Paul Dirac predijo que era posible crear un par de electrones (uno cargado positivamente y otro negativamente) a partir de un campo electromagnético que vibrase extremadamente rápido. Esta teoría fue rápidamente confirmada por los experimentos de Irene Curie y Frédéric Joliot y por los de James Chadwick, Stuart Blackett y Giuseppe Occhialini al comparar el número de electrones con carga negativa y el número de electrones con carga positiva (estos últimos llamados positrones) desprendidos por los rayos γ de alta frecuencia al atravesar delgadas láminas de plomo y descubrir que se obtenía la misma cantidad de unos que de los otros.

Pronto se encontraron otras formas de crear pares positrón-electrón y hoy en día se conocen una gran cantidad de métodos:

  • Haciendo chocar dos partículas pesadas.
  • Haciendo pasar a un electrón a través del campo de un núcleo atómico.
  • La colisión directa de dos electrones.
  • La colisión directa de dos fotones en el vacío.
  • La acción del campo de un núcleo atómico sobre un rayo γ emitido por el mismo núcleo.

También ocurre el proceso en sentido contrario: al colisionar un electrón y un positrón (ellos solos tienden a juntarse, ya que tienen cargas eléctricas opuestas), ambos se aniquilan convirtiendo toda su masa en energía radiante. Esta radiación se emite en forma de dos fotones de rayos γ dispersados en la misma dirección, pero diferente sentido.

Esta relación entre materia-radiación, y viceversa (y sobre todo la conservación de la energía en esta clase de procesos) está descrita en la famosa ecuación de Albert Einstein:

E = m c 2 {\displaystyle \displaystyle E=mc^{2}}

enmarcada en la teoría de la relatividad especial y que originalmente formuló así:

Si un cuerpo de masa m desprende una cantidad de energía E en forma de radiación, su masa disminuye E / c²
Albert Einstein en Zur Elektrodynamik bewegter Körper.

Teorías de campo unificado

Artículo principal: Teoría del campo unificado

Actualmente, se busca una teoría que sea capaz de explicar de forma unificada la relación de la luz, como campo electromagnético, con el resto de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Las primeras teorías intentaron representar el electromagnetismo y la gravitación como aspectos de la geometría espacio-tiempo, y aunque existen algunas evidencias experimentales de una conexión entre el electromagnetismo y la gravitación, solo se han aportado teorías especulativas.

Artículo principal: Espectro electromagnético

El espectro electromagnético está constituido por todos los posibles niveles de energía que la luz puede tener. Hablar de energía es equivalente a hablar de longitud de onda; así, el espectro electromagnético abarca también todas las longitudes de onda que la luz pueda tener, desde miles de kilómetros hasta femtómetros. Ese es el motivo de que la mayor parte de las representaciones esquemáticas del espectro suelan tener escala logarítmica.

El espectro electromagnético se divide en regiones espectrales, clasificadas según los métodos necesarios para generar y detectar los diversos tipos de radiación. Por eso estas regiones no tienen unos límites definidos y existen algunos solapamientos entre ellas.

Espectro visible

Artículo principal: Espectro visible

De todo el espectro, la porción que el ser humano es capaz de ver es muy pequeña en comparación con las otras regiones espectrales. Esta región, denominada espectro visible, comprende longitudes de onda desde los 380 nm hasta los 780 nm. El ojo humano percibe la luz de cada una de estas longitudes de onda como un color diferente, por eso, en la descomposición de la luz blanca en todas sus longitudes de onda, por prismas o por la lluvia en el arco iris, el ojo ve todos los colores.

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Luz
radiación, electromagnética, puede, percibir, idioma, vigilar, editar, para, otros, usos, este, término, véase, desambiguación, latín, lucis, parte, radiación, electromagnética, puede, percibida, humano, física, término, considera, como, parte, campo, radiacio. Luz radiacion electromagnetica que se puede percibir Idioma Vigilar Editar Para otros usos de este termino vease Luz desambiguacion La luz del latin lux lucis es la parte de la radiacion electromagnetica que puede ser percibida por el ojo humano 1 En fisica el termino luz se considera como parte del campo de las radiaciones conocido como espectro electromagnetico mientras que la expresion luz visible senala especificamente la radiacion en el espectro visible La luz como todas las radiaciones electromagneticas esta formada por particulas elementales desprovistas de masa denominadas fotones 2 cuyas propiedades de acuerdo con la dualidad onda particula explican las caracteristicas de su comportamiento fisico Se trata de una onda esferica 3 Rayo de luz solar dispersado por particulas de polvo en el canon del Antilope en Estados Unidos Laseres La optica es la rama de la fisica que estudia el comportamiento de la luz sus caracteristicas y sus diferentes manifestaciones Indice 1 Velocidad infinita 2 Refraccion 3 Propagacion y difraccion 4 Interferencia 5 Reflexion y dispersion 6 Polarizacion 7 Efectos quimicos 8 Aproximacion historica 9 Naturaleza de la luz 9 1 Teoria ondulatoria 9 1 1 Descripcion 9 1 2 Fenomenos ondulatorios 9 2 Teorias corpusculares 9 2 1 Descripcion 9 2 2 Fenomenos corpusculares 9 3 Teorias cuanticas 9 4 Efectos relativistas 9 4 1 Luz en movimiento 9 4 2 Distorsiones espectrales 9 4 3 Teoria de la relatividad general 9 5 Radiacion y materia 9 6 Teorias de campo unificado 10 Espectro electromagnetico 10 1 Espectro visible 11 Vease tambien 12 Referencias 13 Bibliografia 14 Enlaces externosVelocidad infinita EditarArticulo principal Velocidad de la luz Se ha demostrado de manera teorica y experimental que la luz tiene una velocidad finita La primera medicion con exito fue hecha por el astronomo danes Ole Roemer en 1676 y desde entonces numerosos experimentos han mejorado la precision con la que se conoce el dato Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la luz en el vacio es de 299 792 458 m s 4 La velocidad de la luz al propagarse a traves de la materia es menor que a traves del vacio y depende de las propiedades dielectricas del medio y de la energia de la luz La relacion entre la velocidad de la luz en el vacio y en un medio se denomina indice de refraccion del medio n c v displaystyle n frac c v La linea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio entre la Tierra y la Luna alrededor de 1 26 segundos Refraccion EditarArticulo principal Refraccion En esta ilustracion se muestra la descomposicion de la luz al atravesar un prisma Ejemplo de la refraccion La pajita parece partida por la refraccion de la luz al paso desde el liquido al aire La refraccion es la variacion brusca de direccion que sufre la luz al cambiar de medio Este fenomeno se debe a que la luz se propaga a diferentes velocidades segun el medio por el que viaja El cambio de direccion es mayor cuanto mayor es el cambio de velocidad ya que la luz recorre mayor distancia en su desplazamiento por el medio en que va mas rapido La ley de Snell relaciona el cambio de angulo con el cambio de velocidad por medio de los indices de refraccion de los medios Como la refraccion depende de la energia de la luz cuando se hace pasar luz blanca o policromatica a traves de un medio con caras no paralelas como un prisma se produce la separacion de la luz en sus diferentes componentes colores segun su energia en un fenomeno denominado dispersion refractiva Si el medio tiene las caras paralelas la luz se vuelve a recomponer al salir de el Ejemplos muy comunes de la refraccion es la ruptura aparente que se ve en un lapiz al introducirlo en agua o el arcoiris Propagacion y difraccion EditarArticulo principal Difraccion Sombra de una canica Una de las propiedades de la luz mas evidentes a simple vista es que se propaga en linea recta Lo podemos ver por ejemplo en la propagacion de un rayo de luz a traves de ambientes polvorientos o de atmosferas saturadas La optica geometrica parte de esta premisa para predecir la posicion de la luz en un determinado momento a lo largo de su transmision Luz en la persiana De la propagacion de la luz y su encuentro con objetos surgen las sombras Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuacion una pantalla obtendremos sobre ella la sombra del cuerpo Si el origen de la luz o foco se encuentra lejos del cuerpo de tal forma que relativamente sea mas pequeno que el cuerpo se producira una sombra definida Si se acerca el foco al cuerpo surgira una sombra en la que se distinguen una region mas clara denominada penumbra y otra mas oscura denominada umbra Sin embargo la luz no siempre se propaga en linea recta Cuando la luz atraviesa un obstaculo puntiagudo o una abertura estrecha el rayo se curva ligeramente Este fenomeno denominado difraccion es el responsable de que al mirar a traves de un agujero muy pequeno todo se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un numero de aumentos maximo limitado Interferencia EditarArticulo principal Interferencia Experimento de Young La forma mas sencilla de estudiar el fenomeno de la interferencia es con el denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromatica de un solo color en una pantalla que tiene una rendija muy estrecha La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras El fenomeno de las interferencias se puede ver tambien de forma natural en las manchas de aceite sobre los charcos de agua o en la cara con informacion de los discos compactos ambos tienen una superficie que cuando se ilumina con luz blanca la difracta produciendose una cancelacion por interferencias en funcion del angulo de incidencia de la luz de cada uno de los colores que contiene permitiendo verlos separados como en un arco iris Reflexion y dispersion EditarArticulos principales Reflexion fisica y Dispersion fisica Pez ballesta reflejado Al incidir la luz en un cuerpo la materia de la que esta constituido retiene unos instantes su energia y a continuacion la reemite en todas las direcciones Este fenomeno es denominado reflexion Sin embargo en superficies opticamente lisas debido a interferencias destructivas la mayor parte de la radiacion se pierde excepto la que se propaga con el mismo angulo que incidio Ejemplos simples de este efecto son los espejos los metales pulidos o el agua de un rio que tiene el fondo oscuro La luz tambien se refleja por medio del fenomeno denominado reflexion interna total que se produce cuando un rayo de luz intenta salir de un medio en que su velocidad es mas lenta a otro mas rapido con un determinado angulo Se produce una refraccion de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejandose completamente Esta reflexion es la responsable de los destellos en un diamante tallado En el vacio la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda del espectro visible pero cuando atraviesa sustancias materiales la velocidad se reduce y varia para cada una de las distintas longitudes de onda del espectro este efecto se denomina dispersion Gracias a este fenomeno podemos ver los colores del arcoiris El color azul del cielo se debe a la luz del sol dispersada por la atmosfera El color blanco de las nubes o el de la leche tambien se debe a la dispersion de la luz por las gotitas de agua o por las particulas de grasa en suspension que contienen respectivamente Polarizacion EditarArticulo principal Polarizacion electromagnetica Polarizador El fenomeno de la polarizacion se observa en unos cristales determinados que individualmente son transparentes Sin embargo si se colocan dos en serie paralelos entre si y con uno girado un determinado angulo con respecto al otro la luz no puede atravesarlos Si se va rotando uno de los cristales la luz empieza a atravesarlos alcanzandose la maxima intensidad cuando se ha rotado el cristal 90 sexagesimales respecto al angulo de total oscuridad Tambien se puede obtener luz polarizada a traves de la reflexion de la luz La luz reflejada esta parcial o totalmente polarizada dependiendo del angulo de incidencia El angulo que provoca una polarizacion total se llama angulo de Brewster Muchas gafas de sol y filtros para camaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos Efectos quimicos EditarArticulo principal Fotoquimica Algunas sustancias al absorber luz sufren cambios quimicos utilizan la energia que la luz les transfiere para alcanzar los niveles energeticos necesarios para reaccionar para obtener una conformacion estructural mas adecuada para llevar a cabo una reaccion o para romper algun enlace de su estructura fotolisis La fotosintesis en las plantas que generan azucares a partir de dioxido de carbono agua y luz la sintesis de vitamina D en la piel la ruptura de dihalogenos con luz en las reacciones radicalarias o el proceso de vision en el ojo producido por la isomerizacion del retinol con la luz son ejemplos de reacciones fotoquimicas El area de la quimica encargada del estudio de estos fenomenos es la fotoquimica Aproximacion historica EditarArticulo principal Historia de la optica Isaac Newton A principios del siglo XVIII era creencia generalizada que la luz estaba compuesta de pequenas particulas Fenomenos como la reflexion la refraccion y las sombras de los cuerpos se podian esperar de torrentes de particulas Isaac Newton demostro que la refraccion estaba provocada por el cambio de velocidad de la luz al cambiar de medio y trato de explicarlo diciendo que las particulas aumentaban su velocidad al aumentar la densidad del medio La comunidad cientifica consciente del prestigio de Newton acepto su teoria corpuscular Christiaan Huygens En la cuneta quedaba la teoria de Christian Huygens que en 1678 propuso que la luz era un fenomeno ondulatorio que se transmitia a traves de un medio llamado eter Esta teoria quedo olvidada hasta la primera mitad del siglo XIX cuando Thomas Young solo era capaz de explicar el fenomeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese en realidad una onda Otros estudios de la misma epoca explicaron fenomenos como la difraccion y la polarizacion teniendo en cuenta la teoria ondulatoria El golpe final a la teoria corpuscular parecio llegar en 1848 cuando se consiguio medir la velocidad de la luz en diferentes medios y se encontro que variaba de forma totalmente opuesta a como lo habia supuesto Newton Debido a esto casi todos los cientificos aceptaron que la luz tenia una naturaleza ondulatoria Sin embargo todavia quedaban algunos puntos por explicar como la propagacion de la luz a traves del vacio ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio fisico y la luz viajaba incluso mas rapido que en el aire o el agua Se suponia que este medio era el eter del que hablaba Huygens pero nadie lo conseguia encontrar James Clerk Maxwell En 1845 Michael Faraday descubrio que el angulo de polarizacion de la luz se podia modificar aplicandole un campo magnetico efecto Faraday proponiendo dos anos mas tarde que la luz era una vibracion electromagnetica de alta frecuencia James Clerk Maxwell inspirado por el trabajo de Faraday estudio matematicamente estas ondas electromagneticas y se dio cuenta de que siempre se propagaban a una velocidad constante que coincidia con la velocidad de la luz y de que no necesitaban medio de propagacion ya que se autopropagaban La confirmacion experimental de las teorias de Maxwell elimino las ultimas dudas que se tenian sobre la naturaleza ondulatoria de la luz No obstante a finales del siglo XIX se fueron encontrando nuevos efectos que no se podian explicar suponiendo que la luz fuese una onda como por ejemplo el efecto fotoelectrico esto es la emision de electrones de las superficies de solidos y liquidos cuando son iluminados Los trabajos sobre el proceso de absorcion y emision de energia por parte de la materia solo se podian explicar si uno asumia que la luz se componia de particulas Entonces la ciencia llego a un punto muy complicado e incomodo se conocian muchos efectos de la luz sin embargo unos solo se podian explicar si se consideraba que la luz era una onda y otros solo se podian explicar si la luz era una particula El intento de explicar esta dualidad onda particula impulso el desarrollo de la fisica durante el siglo XX Otras ciencias como la biologia o la quimica se vieron revolucionadas ante las nuevas teorias sobre la luz y su relacion con la materia Naturaleza de la luz EditarLa luz presenta una naturaleza compleja depende de como la observemos se manifestara como una onda o como una particula Estos dos estados no se excluyen sino que son complementarios vease dualidad onda corpusculo Sin embargo para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza podemos clasificar los distintos fenomenos en los que participa segun su interpretacion teorica Teoria ondulatoria Editar Descripcion Editar Esta teoria desarrollada por Christiaan Huygens considera que la luz es una onda electromagnetica consistente en un campo electrico que varia en el tiempo generando a su vez un campo magnetico y viceversa ya que los campos electricos variables generan campos magneticos ley de Ampere y los campos magneticos variables generan campos electricos ley de Faraday De esta forma la onda se autopropaga indefinidamente a traves del espacio con campos magneticos y electricos generandose continuamente Estas ondas electromagneticas son sinusoidales con los campos electrico y magnetico perpendiculares entre si y respecto a la direccion de propagacion Para poder describir una onda electromagnetica podemos utilizar los parametros habituales de cualquier onda Amplitud A Es la longitud maxima respecto a la posicion de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento Periodo T Es el tiempo necesario para el paso de dos maximos o minimos sucesivos por un punto fijo en el espacio Frecuencia n Numero de oscilaciones del campo por unidad de tiempo Es una cantidad inversa al periodo Longitud de onda l Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas Velocidad de propagacion V Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo En el caso de la velocidad de propagacion de la luz en el vacio se representa con la letra c La velocidad la frecuencia el periodo y la longitud de onda estan relacionadas por las siguientes ecuaciones v l f l T displaystyle v lambda cdot f frac lambda T Fenomenos ondulatorios Editar Vease tambien Movimiento ondulatorio Algunos de los fenomenos mas importantes de la luz se pueden comprender facilmente si se considera que tiene un comportamiento ondulatorio El principio de superposicion de ondas nos permite explicar el fenomeno de la interferencia si juntamos en el mismo lugar dos ondas con la misma longitud de onda y amplitud si estan en fase las crestas de las ondas coinciden formaran una interferencia constructiva y la intensidad de la onda resultante sera maxima e igual a dos veces la amplitud de las ondas que la conforman Si estan desfasadas habra un punto donde el desfase sea maximo la cresta de la onda coincida exactamente con un valle formandose una interferencia destructiva anulandose la onda El experimento de Young con sus rendijas nos permite obtener dos focos de luz de la misma longitud de onda y amplitud creando un patron de interferencias sobre una pantalla Las ondas cambian su direccion de propagacion al cruzar un obstaculo puntiagudo o al pasar por una abertura estrecha Como recoge el principio de Fresnel Huygens cada punto de un frente de ondas es un emisor de un nuevo frente de ondas que se propagan en todas las direcciones La suma de todos los nuevos frentes de ondas hace que la perturbacion se siga propagando en la direccion original Sin embargo si por medio de una rendija o de un obstaculo puntiagudo se separa uno o unos pocos de los nuevos emisores de ondas predominara la nueva direccion de propagacion frente a la original Onda propagandose a traves de una rendija La difraccion de la luz se explica facilmente si se tiene en cuenta este efecto exclusivo de las ondas La refraccion tambien se puede explicar utilizando este principio teniendo en cuenta que los nuevos frentes de onda generados en el nuevo medio no se transmitiran con la misma velocidad que en el anterior medio generando una distorsion en la direccion de propagacion Refraccion de la luz segun el principio de Huygens Otro fenomeno de la luz facilmente identificable con su naturaleza ondulatoria es la polarizacion La luz no polarizada esta compuesta por ondas que vibran en todos los angulos al llegar a un medio polarizador solo las ondas que vibran en un angulo determinado consiguen atravesar el medio al poner otro polarizador a continuacion si el angulo que deja pasar el medio coincide con el angulo de vibracion de la onda la luz pasara integra si no solo una parte pasara hasta llegar a un angulo de 90º entre los dos polarizadores donde no pasara nada de luz Dos polarizadores en serie Este efecto ademas permite demostrar el caracter transversal de la luz sus ondas vibran en direccion perpendicular a la direccion de propagacion El efecto Faraday y el calculo de la velocidad de la luz c a partir de constantes electricas permitividad e 0 displaystyle varepsilon 0 y magneticas permeabilidad m 0 displaystyle mu 0 por parte de la teoria de Maxwell c 1 e 0 m 0 displaystyle c frac 1 sqrt varepsilon 0 mu 0 confirman que las ondas de las que esta compuesta la luz son de naturaleza electromagnetica Esta teoria fue capaz tambien de eliminar la principal objecion a la teoria ondulatoria de la luz que era encontrar la manera de que las ondas se trasladasen sin un medio material Teorias corpusculares Editar Descripcion Editar La teoria corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de particulas sin carga y sin masa llamadas fotones capaces de transportar todas las formas de radiacion electromagnetica Esta interpretacion resurgio debido a que la luz en sus interacciones con la materia intercambia energia solo en cantidades discretas multiplos de un valor minimo de energia denominadas cuantos Este hecho es dificil de combinar con la idea de que la energia de la luz se emita en forma de ondas pero es facilmente visualizado en terminos de corpusculos de luz o fotones Fenomenos corpusculares Editar Max Planck Existen tres efectos que demuestran el caracter corpuscular de la luz Segun el orden historico el primer efecto que no se pudo explicar por la concepcion ondulatoria de la luz fue la radiacion del cuerpo negro Un cuerpo negro es un radiador teoricamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en el y por eso cuando se calienta se convierte en un emisor ideal de radiacion termica que permite estudiar con claridad el proceso de intercambio de energia entre radiacion y materia La distribucion de frecuencias observadas de la radiacion emitida por la caja a una temperatura de la cavidad dada no se correspondia con las predicciones teoricas de la fisica clasica Para poder explicarlo Max Planck al comienzo del siglo XX postulo que para ser descrita correctamente se tenia que asumir que la luz de frecuencia n es absorbida por multiplos enteros de un cuanto de energia igual a hn donde h es una constante fisica universal llamada Constante de Planck E h n displaystyle displaystyle E h nu En 1905 Albert Einstein utilizo la teoria cuantica recien desarrollada por Planck para explicar otro fenomeno no comprendido por la fisica clasica el efecto fotoelectrico Este efecto consiste en que cuando un rayo monocromatico de radiacion electromagnetica ilumina la superficie de un solido y a veces la de un liquido se desprenden electrones en un fenomeno conocido como fotoemision o efecto fotoelectrico externo Estos electrones poseen una energia cinetica que puede ser medida electronicamente con un colector con carga negativa conectado a la superficie emisora No se podia entender que la emision de los llamados fotoelectrones fuese inmediata e independiente de la intensidad del rayo Eran incluso capaces de salir despedidos con intensidades extremadamente bajas lo que excluia la posibilidad de que la superficie acumulase de alguna forma la energia suficiente para disparar los electrones Ademas el numero de electrones era proporcional a la intensidad del rayo incidente Einstein demostro que el efecto fotoelectrico podia ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba formada de fotones de energia hn parte de esta energia hn0 se utilizaba para romper las fuerzas que unian el electron con la materia el resto de la energia aparecia como la energia cinetica de los electrones emitidos 1 2 m v m a x 2 h n n 0 displaystyle frac 1 2 mv mathrm max 2 h nu nu 0 donde m es la masa del electron vmax la velocidad maxima observada n es la frecuencia de la luz iluminante y n0 es la frecuencia umbral caracteristica del solido emisor La demostracion final fue aportada por Arthur Compton que observo como al hacer incidir rayos X sobre elementos ligeros estos se dispersaban con menor energia y ademas se desprendian electrones fenomeno posteriormente denominado en su honor como efecto Compton Compton ayudandose de las teorias anteriores le dio una explicacion satisfactoria al problema tratando la luz como particulas que chocan elasticamente con los electrones como dos bolas de billar El foton corpusculo de luz golpea al electron el electron sale disparado con una parte de la energia del foton y el foton refleja su menor energia en su frecuencia Las direcciones relativas en las que salen despedidos ambos estan de acuerdo con los calculos que utilizan la conservacion de la energia y el momento Otro fenomeno que demuestra la teoria corpuscular es la presion luminosa Teorias cuanticas Editar Diagrama de Feynman donde se muestra el intercambio de un foton virtual simbolizado por una linea ondulada y g displaystyle gamma entre un positron y un electron La necesidad de reconciliar las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnetico que describen el caracter ondulatorio electromagnetico de la luz con la naturaleza corpuscular de los fotones ha hecho que aparezcan varias teorias que estan aun lejos de dar un tratamiento unificado satisfactorio Estas teorias incorporan por un lado la teoria de la electrodinamica cuantica desarrollada a partir de los articulos de Dirac Jordan Heisenberg y Pauli y por otro lado la mecanica cuantica de de Broglie Heisenberg y Schrodinger Paul Dirac dio el primer paso con su ecuacion de ondas que aporto una sintesis de las teorias ondulatoria y corpuscular ya que siendo una ecuacion de ondas electromagneticas su solucion requeria ondas cuantizadas es decir particulas Su ecuacion consistia en reescribir las ecuaciones de Maxwell de tal forma que se pareciesen a las ecuaciones hamiltonianas de la mecanica clasica A continuacion utilizando el mismo formalismo que a traves de la introduccion del cuanto de accion hn transforma las ecuaciones de mecanica clasica en ecuaciones de mecanica ondulatoria Dirac obtuvo una nueva ecuacion del campo electromagnetico Las soluciones a esta ecuacion requerian ondas cuantizadas sujetas al principio de incertidumbre de Heisenberg cuya superposicion representaban el campo electromagnetico Gracias a esta ecuacion podemos conocer una descripcion de la probabilidad de que ocurra una interaccion u observacion dada en una region determinada Existen aun muchas dificultades teoricas sin resolverse sin embargo la incorporacion de nuevas teorias procedentes de la experimentacion con particulas elementales asi como de teorias sobre el comportamiento de los nucleos atomicos nos han permitido obtener una formulacion adicional de gran ayuda Efectos relativistas Editar Sin embargo existian aun algunas situaciones en las que la luz no se comportaba segun lo esperado por las teorias anteriores Luz en movimiento Editar La primera de estas situaciones inexplicables se producia cuando la luz se emitia se transmitia o se recibia por cuerpos o medios en movimiento Era de esperar segun la fisica clasica que la velocidad en estos casos fuese el resultado de sumar a la velocidad de la luz la velocidad del cuerpo o del medio Sin embargo se encontraron varios casos en los que no era asi Augustin Fresnel En 1818 Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad a la que la luz atravesaba un liquido en movimiento Para ello se haria atravesar a la luz una columna de un liquido que fluyese a una velocidad v relativa al observador Conociendo la velocidad v a la que se trasmite la luz a traves de ese medio a traves del indice de refraccion n se calculo que la velocidad total de la luz en ese fluido seria v t v v displaystyle displaystyle v t v v Sin embargo cuando en 1851 el fisico frances Hippolyte Fizeau llevo a cabo el experimento comprobo que la velocidad a la que la luz atravesaba el liquido en movimiento no era la calculada sino v t v v 1 1 n 2 displaystyle v t v v left 1 frac 1 n 2 right es decir que la velocidad del fluido contaba menos en la velocidad final si la velocidad con la que atravesaba la luz ese fluido era mayor En 1725 James Bradley descubrio que la posicion observada de las estrellas en el firmamento variaba anualmente con respecto a la posicion real en un intervalo de 41 segundos de arco La teoria que propuso para explicarlo fue que esta variacion se debia a la combinacion de la velocidad de la tierra al rotar alrededor del sol con la velocidad finita de la luz Gracias a esta teoria fue capaz de calcular la velocidad de la luz de una forma aceptable Basandose en este efecto el astronomo ingles George Airy comparo el angulo de aberracion en un telescopio antes y despues de llenarlo de agua y descubrio que en contra de sus expectativas no habia diferencia en sus mediciones la luz no variaba de velocidad a pesar de que el fluido se movia a la velocidad de la tierra Teniendo en cuenta este experimento los fisicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley propusieron un experimento vease Experimento de Michelson y Morley para medir la velocidad a la que fluia el eter con respecto a la Tierra Suponian que el eter se movia en una direccion concreta con una velocidad determinada por eso debido a la translacion de la Tierra alrededor del Sol habria epocas del ano en el que tendriamos una componente de esa velocidad a favor y otras epocas en contra por lo que supusieron que cuando lo tuviesemos a favor la velocidad de la luz seria superior y cuando lo tuviesemos en contra seria inferior Para ello midieron la velocidad de la luz en diferentes estaciones del ano y observaron que no habia ninguna diferencia Y lo mas curioso que ni siquiera habia diferencias debidas a la propia velocidad de translacion de la Tierra 30 km s En 1905 Albert Einstein dio una explicacion satisfactoria con su teoria de la relatividad especial en la que en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isotropa es decir independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente Distorsiones espectrales Editar Articulo principal Desplazamiento al rojo Desplazamiento nebular Al comparar el espectro de la luz procedente de algunos cuerpos celestes con los espectros medidos en el laboratorio de los mismos elementos que los que contienen esos cuerpos se observa que no son iguales ya que las lineas espectrales procedentes del espacio estan desplazadas hacia posiciones de mayor longitud de onda es decir hacia el lado rojo del espectro en lugares de menor energia Se han encontrado dos tipos diferentes de desplazamientos de lineas espectrales Desplazamiento nebular Uno el mas comun llamado desplazamiento nebular es un desplazamiento sistematico de los espectros procedentes de las estrellas y galaxias Edwin Hubble tras estudiar el corrimiento de los espectros de las nebulosas lo interpreto como el resultado del efecto Doppler debido a la expansion continua del universo Gracias a esto propuso una formula capaz de calcular la distancia que nos separa de un cuerpo determinado analizando el corrimiento de su espectro D l l 1 7 10 9 d displaystyle frac Delta lambda lambda 1 7 cdot 10 9 d donde Dl es la diferencia entre las longitudes de onda del espectro del cuerpo y la esperada l es la longitud de onda esperada y d la distancia en parsecs Desplazamiento gravitacional El otro mucho mas extrano se llama desplazamiento gravitacional o efecto Einstein observado en espectros de cuerpos extremadamente densos El ejemplo mas famoso es el espectro del llamado companero oscuro de Sirio La existencia de este companero fue predicha por Friedrich Bessel en 1844 basandose en una perturbacion que observo en el movimiento de Sirio pero debido a su debil luminosidad no fue descubierto hasta 1861 Este companero es una enana blanca que tiene una masa comparable a la del Sol pero en un radio aproximadamente cien veces menor por lo que su densidad es inmensa 61 000 veces la del agua Al estudiarse su espectro se observa un desplazamiento de 0 3 A de la linea ss de la serie Balmer del hidrogeno Teoria de la relatividad general Editar Articulo principal Relatividad general Albert Einstein Para que su anterior teoria de la relatividad especial abarcase tambien los fenomenos gravitatorios Albert Einstein entre 1907 y 1915 desarrollo la teoria de la relatividad general Una de las principales conclusiones de esta teoria es que la gravedad influye en la propagacion de la luz representada en la teoria por el potencial gravitatorio F descrito por F G M R displaystyle Phi frac GM R donde G es la Constante de gravitacion universal M la masa y R la distancia al objeto que genera el campo gravitatorio Einstein encontro que la luz al pasar por un campo gravitatorio de potencial F sufria una disminucion de su velocidad segun la formula c c 0 1 F c 0 2 displaystyle c c 0 left 1 frac Phi c 0 2 right donde c0 es la velocidad de la luz sin campo gravitatorio y c es la velocidad con el Tambien se ve modificada la frecuencia de la luz emitida por una fuente en un campo gravitatorio n n 0 1 F c 0 2 displaystyle nu nu 0 left 1 frac Phi c 0 2 right lo que explica el desplazamiento gravitacional Otro ejemplo que confirma experimentalmente este punto de la teoria son las lineas espectrales del sol que estan desplazadas hacia el rojo en un valor de dos millonesimas cuando se comparan con las generadas por los mismos elementos en la Tierra Por ultimo en esta relacion entre luz y gravedad esta teoria predijo que los rayos de luz al pasar cerca de un cuerpo pesado se desviaban en un angulo a determinado por el efecto de su campo gravitatorio segun la relacion a 4 G M c 2 R displaystyle alpha frac 4GM c 2 R Este punto de la teoria se pudo confirmar experimentalmente estudiando el desvio de la luz que provocaba el sol Para comprobarlo los cientificos estudiaron la posicion de las estrellas del area alrededor del sol aprovechando un eclipse en 1931 Se vio que como predecia la teoria estaban desviadas hasta 2 2 segundos de arco comparadas con fotos de la misma area realizadas 6 meses antes Radiacion y materia Editar Articulo principal Dualidad onda corpusculo Paul Dirac Al formular su ecuacion de ondas para un electron libre Paul Dirac predijo que era posible crear un par de electrones uno cargado positivamente y otro negativamente a partir de un campo electromagnetico que vibrase extremadamente rapido Esta teoria fue rapidamente confirmada por los experimentos de Irene Curie y Frederic Joliot y por los de James Chadwick Stuart Blackett y Giuseppe Occhialini al comparar el numero de electrones con carga negativa y el numero de electrones con carga positiva estos ultimos llamados positrones desprendidos por los rayos g de alta frecuencia al atravesar delgadas laminas de plomo y descubrir que se obtenia la misma cantidad de unos que de los otros Pronto se encontraron otras formas de crear pares positron electron y hoy en dia se conocen una gran cantidad de metodos Haciendo chocar dos particulas pesadas Haciendo pasar a un electron a traves del campo de un nucleo atomico La colision directa de dos electrones La colision directa de dos fotones en el vacio La accion del campo de un nucleo atomico sobre un rayo g emitido por el mismo nucleo Tambien ocurre el proceso en sentido contrario al colisionar un electron y un positron ellos solos tienden a juntarse ya que tienen cargas electricas opuestas ambos se aniquilan convirtiendo toda su masa en energia radiante Esta radiacion se emite en forma de dos fotones de rayos g dispersados en la misma direccion pero diferente sentido Esta relacion entre materia radiacion y viceversa y sobre todo la conservacion de la energia en esta clase de procesos esta descrita en la famosa ecuacion de Albert Einstein E m c 2 displaystyle displaystyle E mc 2 enmarcada en la teoria de la relatividad especial y que originalmente formulo asi Si un cuerpo de masa m desprende una cantidad de energia E en forma de radiacion su masa disminuye E c Albert Einstein en Zur Elektrodynamik bewegter Korper 5 Teorias de campo unificado Editar Articulo principal Teoria del campo unificado Actualmente se busca una teoria que sea capaz de explicar de forma unificada la relacion de la luz como campo electromagnetico con el resto de las interacciones fundamentales de la naturaleza Las primeras teorias intentaron representar el electromagnetismo y la gravitacion como aspectos de la geometria espacio tiempo y aunque existen algunas evidencias experimentales de una conexion entre el electromagnetismo y la gravitacion solo se han aportado teorias especulativas Espectro electromagnetico EditarArticulo principal Espectro electromagnetico El espectro electromagnetico esta constituido por todos los posibles niveles de energia que la luz puede tener Hablar de energia es equivalente a hablar de longitud de onda asi el espectro electromagnetico abarca tambien todas las longitudes de onda que la luz pueda tener desde miles de kilometros hasta femtometros Ese es el motivo de que la mayor parte de las representaciones esquematicas del espectro suelan tener escala logaritmica El espectro electromagnetico se divide en regiones espectrales clasificadas segun los metodos necesarios para generar y detectar los diversos tipos de radiacion Por eso estas regiones no tienen unos limites definidos y existen algunos solapamientos entre ellas Espectro visible Editar Articulo principal Espectro visible De todo el espectro la porcion que el ser humano es capaz de ver es muy pequena en comparacion con las otras regiones espectrales Esta region denominada espectro visible comprende longitudes de onda desde los 380 nm hasta los 780 nm El ojo humano percibe la luz de cada una de estas longitudes de onda como un color diferente por eso en la descomposicion de la luz blanca en todas sus longitudes de onda por prismas o por la lluvia en el arco iris el ojo ve todos los colores Vease tambien EditarLaser Lente optica Vista Velocidad de la luz Estetica de la luz Luz en el arte Luz en la pinturaReferencias Editar Walton Harold Frederic Reyes Jorge 1983 Analisis quimico e instrumental moderno Reverte ISBN 9788429175196 Consultado el 16 de febrero de 2018 Introduccion a la ciencia de materiales tecnicas de preparacion y caracterizacion Editorial CSIC CSIC Press 1993 ISBN 9788400073435 Consultado el 16 de febrero de 2018 Claro Francisco 2009 De Newton a Einstein Ediciones UC ISBN 9789561410336 Consultado el 16 de febrero de 2018 Handbook of chemistry and physics 23ª edicion CRC press Boca Raton Estados Unidos Einstein A 1905 Zur Elektrodynamik bewegter Korper Annalen der Physik Berna IV Folge 17 891 921 Trabajo original en alemanBibliografia EditarAtkins Peter de Paula Julio 2002 Quantum theory introduction and principles Physical Chemistry New York Oxford University Press 0 19 879285 9 Skoog Douglas A Holler F James Nieman Timothy A 2001 Introduccion a los metodos espectrometricos Principios de Analisis instrumental 5ª Edicion Madrid McGraw Hill 84 481 2775 7 Tipler Paul Allen 1994 Fisica 3ª Edicion Barcelona Reverte 84 291 4366 1 Burke John Robert 1999 Fisica la naturaleza de las cosas Mexico DF International Thomson Editores 968 7529 37 7 Enlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una galeria multimedia sobre Luz Wikiquote alberga frases celebres de o sobre Luz Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre luz Datos Q9128 Multimedia Light Citas celebres LuzObtenido de https es wikipedia org w index php title Luz amp oldid 136583316, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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