Luz
Se llama luz (del latín lux, lucis) a la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz se usa en un sentido más amplio e incluye el rango entero de radiación conocido como el espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible denota la radiación en el espectro visible.
La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones.
El estudio de la luz revela una serie de características y efectos al interactuar con la materia, que nos permiten desarrollar algunas teorías sobre su naturaleza.
Velocidad finita
Se ha demostrado teórica y experimentalmente 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:
Naturaleza de la luz
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. 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 corpuscular (NEWTON-1666)
Descripción
En esta teoría la luz es como un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones. Las cuales son emitidas a gran velocidad, y en línea recta, por cuerpos luminosos, llamados manantiales luminosos. La dirección de propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo luminoso, el cual puede atravesar medios transparentes y ser reflejado por materias opacas.
Son capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación resurgió debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía sólo en cantidades discretas (múltiples 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.
Por último también consideraba que los diferentes colores que formaban la luz blanca se deben a diferentes tipos de corpúsculos, cada uno responsable de un color.
Esta teoría explica la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y la refracción; pero no explica la interferencia y la difracción.
Teoría ondulatoria (HUYGENS-1678)
Descripción
En esta teoría la energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como en la teoría corpuscular, sino que está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagación. La teoría ondulatoria explica perfectamente los fenómenos luminosos mediante una construcción geométrica llamada principio de Huygens, además según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. Esta teoría no fue aceptada debido al gran prestigio de Newton. Tuvo que pasar más de un siglo para que se tomara nuevamente en consideración la "Teoría Ondulatoria"
Esta teoría explica: las leyes de la reflexión y refracción, pero tiene una dificultad fundamental que es precisamente la hipótesis del éter. Como las ondas se trasmiten en el vacío, Huygens supone que las ondas luminosas necesitan para propagarse un medio ideal, el ETER, presente tanto en el vacío como en los cuerpos materiales. Existe, pues, una contradicción en la naturaleza del éter, ya que por un lado debe ser un sólido incompresible y por otro no debe oponer resistencia al movimiento de los cuerpos.
Los experimentos Young (1801) quien explicó el fenómeno de la interferencia y midió las longitudes de onda correspondientes a los distintos colores del espectro, y los de Fresnel (1815) quien explicó el fenómeno de la polarización transformando el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens, en transversal, fueron decisivos para que se tomaran en consideración los estudios de Huygens y para la explicación de la teoría ondulatoria.
Diferencias
Los partidarios de la ley de Newton decían que Huygens había inventado una sustancia hipotética, el éter. Además no sería posible la formación de sombras nítidas, ya que si la luz se asemeja al sonido debería doblar las esquinas (Una persona se la oye aunque no se la vea)
Huygens dudaba de las partículas que formaban cada uno de los colores de la luz del Sol. No consideraba un gran problema la propagación rectilínea y ponía el siguiente ejemplo: Una embarcación pequeña no es un gran obstáculo para las grandes olas del mar pero un gran barco si detiene un pequeño oleaje produciendo zonas de sombras. Solo había que idear obstáculos suficientemente pequeños similares a la longitud de onda de la luz.
Teoría electromagnética (MAXWELL-1865)
Esta teoría demuestra que la perturbación del campo electromagnético puede propagarse en el espacio a una velocidad que coincide con la de la luz en el vacío, equiparando por tanto las ondas electromagnéticas con las ondas luminosas.
Veinte años después, Hertz comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo definitivamente la identidad de ambos fenómenos.
Con esta teoría no se da explicación a los fenómenos de absorción o emisión, a los fenómenos fotoeléctricos, ni a la emisión de luz por cuerpos incandescentes. Y por lo tanto es necesario volver a la teoría corpuscular, como hizo Planck en 1900.
Teoría de los quantos (PLANCK 1900)
Esta teoría establece que los intercambios de energía entre la materia y la luz, solo son posibles por cantidades discretas de energía denominadas quantum o quantos (menor cantidad de energía que puede transmitirse en cualquier longitud de onda.).
Einstein, en 1905, explicó el efecto fotoeléctrico utilizando la teoría de los cuantos, admitiendo que la luz se traslada por el espacio en forma de cuantos. A este quanto de radiación se le dio posteriormente el nombre de fotón.
Esta teoría tropieza con el inconveniente de no poder explicar los fenómenos de tipo ondulatorio: Interferencias, difracción, etc. Provocando que nos encontremos nuevamente con dos hipótesis contradictorias, la teoría electromagnética y la de los quantos.
Teoría de la dualidad onda-corpúsculo
La teoría electromagnética y la de los quantos, herederas de la ondulatoria y corpuscular respectivamente, evidencian la doble naturaleza de la luz.
La dualidad onda-corpúsculo, también llamada dualidad onda-partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz puede poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias.
De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.
Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. (Stephen Hawking, 2001)
Éste es un hecho introducido por de Broglie, físico francés de principios del siglo XX. En 1924 en su tesis doctoral propuso la existencia de ondas de materia, es decir que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin embargo, Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, De Broglie recibió el Nobel en Física por su teoría sobre la mecánica ondulatoria. Esta teoría establece así la naturaleza corpuscular de la luz en su interacción con la materia (procesos de emisión y absorción) y la naturaleza electromagnética de esta en su propagación.
Esto es el comienzo de mi trabajo para física biológica, espero que les sirva y pronto subiré el resto
Sgunda parte: