Naturaleza y propag de la luz 1

Prof: José E. Espinoza Sepúlveda
GUÍA COMPLEMENTARIA DE FÍSICA I AÑO MEDIO
Unidad: LA LUZ
Contenido: Naturaleza y propagación de la luz
Nombre Alumno (a): ………………………………………………….. Fecha: Agosto 2015
Naturaleza y propagación de la luz
A comienzos del siglo XVII muchos científicos creían que no había tal cosa como la "velocidad de
la luz", ellos pensaban que la luz podía viajar cualquier distancia en forma instantánea. Galileo no
estaba de acuerdo y diseñó un experimento para medir la velocidad de la luz: él y su asistente cada uno
tomó una lámpara con rejillas y se colocaron en la cima de montañas a una milla de distancia. Galileo
abría la rejilla de su lámpara y el asistente debía abrir la suya tan pronto como viera la luz de la lámpara
de Galileo. De esta manera Galileo podría calcular cuánto tiempo habría pasado antes de que él viera la
luz de su asistente desde la otra montaña.
Y así el podría dividir la distancia por el tiempo medido para calcular la velocidad de la luz. El
problema fué que la velocidad de la luz es simplemente muy alta para ser medida de esta forma; en
efecto tomaría muy poco tiempo (cerca de 0,000005 segundos) para viajar esa distancia y no había
forma de que Galileo pudiera medir ese intervalo con los instrumentos a su disposición. Entonces lo
que se necesitaría sería una distancia realmente grande para que la luz la recoriera, algo así como
millones de kilómetros. ¿Cómo sería posible que alguien hiciera un experimento así?
Durante la década de 1670, el astrónomo Danés Ole Roemer estaba haciendo una observación muy
cuidadosa de Io, uno de los satélites de Júpiter, que completa su órbita en 1,76 días; tiempo siempre
igual, así que Roemer esperaba poder predecir su movimiento con gran precisión. Para su asombro,
descubrió que Io no siempre aparecía donde se suponía que debía estar. En ciertos períodos del año
parecía estar atrasado en su horario y en otros se adelantaba. ¿Por qué orbitaría más rápido en cierta
época y más lento en otra? Eso es exactamente lo que Roemer se preguntó y nadie pudo darle una
respuesta plausible. Sin embargo Roemer notó que Io parecía adelantarse en su órbita cuando la Tierra
estaba más cerca de Júpiter y parecía atrasarse cuando la Tierra estaba más lejos. Esto tiene algo que
ver con la velocidad de la luz: Si la luz no viaja infinitamente rápido, entonces le debe tomar algún
tiempo para viajar desde Júpiter a la Tierra, supongamos que le toma 1 hora, así, cuando se observa a
Júpiter a través de un telescopio, lo que realmente está viendo es la luz emitida 1 hora antes, se está
viendo a Júpiter y a su satélite como eran 1 hora en el pasado. Cuando Júpiter está más lejos, le llevará
más tiempo aún a la luz para llegar aquí, de forma que Roemer estaba viendo a Io como era un poco
más temprano que usualmente, tal vez 1 hora y 15 minutos antes, en lugar de 1 hora. Y lo opuesto
ocurría cuando Júpiter y la Tierra estaban más cerca. Así que Io no estaba cambiando su órbita en
absoluto; sólo parecía estar en diferentes lugares dependiendo de cuánto tiempo le tomara a su luz para
llegar aquí. Conociendo la aparente variación en el ritmo de la órbita de Io y sabiendo cuánto varía la
distancia entre la Tierra y Júpiter, Roemer pensó que ese tiempo lo emplea la luz para pasar del lugar
de la primera observación a la segunda. El valor de la velocidad de la luz se obtenía dividiendo el
diámetro de la órbita terrestre alrededor del Sol por el tiempo de retraso; en aquel tiempo no se conocía
con exactitud el valor de esa distancia, y por eso obtuvo un valor para la velocidad de la luz de 215.000
km/s. Con los actuales datos más precisos del diámetro de la órbita (3.1011 m), y el tiempo de retraso
(16,6 min), se obtendría una velocidad de 300.000 km/s.
En los años que siguieron, a medida que se desarrollaban mejores equipos y tecnologías, muchas
otras personas pudieron medir la velocidad de la luz con mayor precisión. Con los recursos de la
tecnología moderna, podemos medirla con un increíble nivel de precisión. Por ejemplo, los astronautas
fijaron un espejo en una roca de la luna; los científicos en la Tierra pueden apuntar un laser a este
espejo y medir el tiempo que gasta un pulso de laser, cerca de dos y medio segundos para hacer el viaje
redondo. (Si se piensa bien, la idea tras este experimento no es tan diferente de la que propuso
Galileo...) Y cualquiera que haya medido la velocidad de la luz, en cualquier época, usando cualquier
método, siempre obtuvo el mismo resultado: ligeramente menos de 300.000 kilómetros por segundo.
Otros tipos de radiación electromagnética, como las ondas de radio y las microondas, se supone que
viajan a la misma velocidad que la luz. También se ha medido su velocidad, en 1888, más de 200 años
después de las observaciones de Roemer, Heinrich Hertz generó algunas ondas electromagnéticas en su
laboratorio. El midió su velocidad y llegó a la cifra familiar de 300.000 Km/s, una evidencia muy fuerte
de que la luz y las radiaciones electromagnéticas son una misma cosa.
Armando Fizeau (1819-1896). Físico francés. Fue el primero en medir la velocidad de la luz en la
Tierra empleando fundamentalmente el método ideado por Galileo pero altamente perfeccionado.
Antes que él, Roemer y Bradley habían medido esta velocidad empleando cada uno métodos
astronómicos diferentes.
En 1849, Fizeau colocó en una colina una rueda dentada que giraba rápidamente; en otra colina,
separada unos ocho kilómetros, colocó un espejo e hizo pasar un haz de luz a través de los dientes
del disco giratorio que se reflejó en el espejo y regresó a la rueda dentada después de recorrer diez
y seis kilómetros. Si se va aumentando la velocidad de la rueda dentada, habrá un momento en que
no se vea la luz reflejada porque un diente lo impedirá. La velocidad de la luz se encontró
dividiendo la distancia recorrida, 16 km, entre el tiempo empleado por un diente de la rueda en
ocupar el hueco próximo. El valor hallado fue un 5% mayor al que ahora se considera como más
preciso:
Método de Fizeau para determinar la velocidad de la luz, empleando una rueda dentada que giraba a
gran velocidad
En el caso de las ondas sonoras, a cada tono corresponde una frecuencia, número de oscilaciones
cada segundo. A un tono agudo, una frecuencia alta y a un tono grave, una baja. Doppler observó
(1842) que el silbato de un tren tenía un tono más agudo (mayor frecuencia) cuando se acercaba, que
cuando se alejaba. En la actualidad, con tantos automóviles tocando sus bocinas al acercarse y alejarse
de nosotros, todos hemos observado este fenómeno. Teniendo en cuenta que la luz es, como el sonido,
un fenómeno ondulatorio, a cada color le corresponde una frecuencia. Al rojo una frecuencia menor, al
violeta mayor y frecuencias intermedias a los colores intermedios el arco iris. Fraunhofer había
encontrado que la luz del Sol y las estrellas al observarse a través de una rendija y un prisma
(espectroscopio) tenían una serie de líneas oscuras y que a cada una correspondía una frecuencia
definida.
Fizeau hizo ver que el efecto Doppler también debería producirse con las ondas luminosas y
que si una estrella se aleja de nosotros la posición de las líneas del espectro debía de moverse hacia
el rojo (disminuyendo su frecuencia) y al acercarse, correrse hacia el violeta. Este efecto ha sido
un arma poderosa para estudiar el Universo que nos rodea.
Juan Bernardo Foucault (1819-1868). Físico francés. Colaboró con Fizeau en la determinación
de la velocidad de la luz, por medio de la rueda dentada, y poco tiempo después desarrolló su
propio método. Foucault sustituyó la rueda dentada por un espejo rotatorio. Se envía un haz
luminoso al espejo rotatorio y durante un corto instante, cuando tiene una posición adecuada, la luz
reflejada se dirige al espejo fijo que la regresa nuevamente al espejo rotatorio. Al llegar
nuevamente al espejo rotatorio, éste habrá girado un cierto ángulo y se reflejará en una dirección
diferente a la dirección en que se inició el experimento. Con estas medidas, Foucault midió la
velocidad de la luz casi con el valor que se considera como el más exacto. Además, con este
método no se requiere que el espejo fijo se encuentre muy lejos del espejo rotatorio y así pudo
determinar la velocidad con que la luz se propaga en el agua. De acuerdo con la teoría ondulatoria
de la luz, ésta debe propagarse más lentamente en el agua que en el aire, y de acuerdo con la teoría
corpuscular, al contrario. Foucault encontró que la teoría ondulatoria era la correcta.
Método de Foucault para determinar la velocidad de la luz en el aire y en el agua, empleando un
espejo que giraba a gran velocidad mientras que la luz va y viene en el tubo, el espejo rotatorio gira un
ángulo α y el rayo ABC forma un ángulo 2α.
Naturaleza de la luz
La luz se compone de partículas energizadas denominadas fotones, cuyo grado de energía y
frecuencia determina la longitud de onda y el color. Según estudios científicos, la luz sería una
corriente de paquetes fotónicos que se mueven en el campo en forma ondulatoria por un lado y en
forma corpuscular por otro. Los antiguos filósofos ya conocían algunos hechos sobre la propagación de
la luz Así se atribuye a Euclides el descubrimiento de las leyes de la reflexión de la luz. A mediados del
siglo XVII surgen, casi conjuntamente, dos teorías acerca de la naturaleza de la luz: Teoría Corpuscular
(1666) y Teoría Ondulatoria (1678)
Teoría corpuscular
Isaac Newton descubre en 1666 que la luz natural, al pasar a través de un prisma es separada en una
gama de colores que van desde el rojo al azul; concluye que la luz blanca o natural está compuesta por
todos los colores del arcoiris. Newton propuso la teoría corpuscular para la luz, en contraposición a un
modelo ondulatorio propuesto por Huygens. Supone que la luz está compuesta por una granizada de
corpúsculos o partículas luminosas, los cuales se propagan en línea recta, que pueden atravesar medios
transparentes y ser reflejados por materias opacas. Esta teoría explica la propagación rectilínea de la
luz, la refracción y la reflexión; pero no explica los anillos de Newton, irisaciones en las láminas
delgadas de los vidrios (que sí lo hace la teoría de Huygens) y tampoco los fenómenos de interferencia
y difracción.
Newton, experimentalmente demostró que la luz blanca, al traspasar un prisma, se dispersa en rayos
de colores y que éstos, a su vez, al pasar por un segundo prisma no se descomponen, sino que son
homogéneos. De esta descomposición de la luz deduce y demuestra que al dejar caer los rayos
monocromáticos sobre un prisma, éstos se recombinan para transformarse en luz blanca. Se desprende
así que ésta resulta de una combinación varia de rayos coloreados que poseen diferentes grados de
refrangibilidad; desde el violeta –el más refrangible- hasta el rojo –que tiene el menor índice de
refracción -. La banda de los colores prismáticos forma el espectro, cuya investigación y estudio
conduciría, en la segunda mitad del siglo XIX, a varios hallazgos ribeteados con el asombro.
De esta manera, Newton consideró que la luz es semejante a un flujo de proyectiles emitidos por un
cuerpo que genera luminosidad. Supuso que la visión era la consecuencia de la colisión de granizadas
de proyectiles que impactaban en los ojos. Con su hipótesis corpuscular, intentó explicar el hermoso
fenómeno de los anillos de colores engendrados por láminas delgadas (los famosos anillos de Newton)
e interpretó igualmente la refracción de la luz dentro de la hipótesis corpuscular, aceptando que las
partículas luminosas, al pasar de un ambiente poco denso (aire) a otro más denso (cristales), aumentan
su velocidad debido a una atracción más fuerte. Esta conclusión, en nada es coincidente con la teoría
ondulatoria de la luz, la que propugna una propagación más lenta de la luz en el paso a través de
medios más densos. La teoría sobre una naturaleza corpuscular de la luz, sustentada por el enorme
prestigio de Newton, prevaleció durante el siglo XVIII, pero debió ceder hacia mediados del siglo XIX
frente a la teoría ondulatoria que fue contrastada con éxito con la experiencia. En la física actual, el
descubrimiento de nuevos fenómenos ha llevado –sin arrinconar la teoría ondulatoria- a una
conciliación de ambas ponencias teóricas.
Teoría ondulatoria
Christian Huygens, en el año 1678, describe y explica lo que hoy se considera como leyes de
reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce
con el sonido. Ahora, como los físicos de la época consideraban que todas las ondas requerían de algún
medio que las transportaran, para las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial
e invisible a la cual se le llamó éter. Justamente la presencia del éter fue el principal medio
cuestionador de la teoría ondulatoria. En ello, es necesario equiparar las vibraciones luminosas con las
elásticas transversales de los sólidos sin que se transmitan, por lo tanto, vibraciones longitudinales.
Aquí es donde se presenta la mayor contradicción en cuanto a la presencia del éter como medio de
transporte de ondas, ya que se requeriría que éste reuniera alguna característica sólida pero que a su vez
no opusiera resistencia al libre tránsito de los cuerpos sólidos. (Las ondas transversales sólo se
propagan a través de medios sólidos.)
En aquella época, la teoría de Huygens no fue muy considerada, fundamentalmente por el prestigio
que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta la Teoría Ondulatoria de la
luz. Los experimentos del médico inglés Thomas Young sobre los fenómenos de interferencias
luminosas, y los del físico francés Auguste Jean Fresnel sobre la difracción fueron decisivos para que
se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre la luz, la propuesta realizada en el siglo XVII por
Huygens.
Young demostró experimentalmente el hecho paradójico que se daba en la teoría corpuscular de que
dos fuentes luminosas juntas pueden producir menos luminosidad que por separado. En una pantalla
negra practicó dos minúsculos agujeros muy próximos entre sí: al acercar la pantalla al ojo, la luz de un
pequeño y distante foco aparece en forma de anillos alternativamente brillantes y oscuros. ¿Cómo
explicar el efecto de ambos agujeros que por separado darían un campo iluminado, y combinados
producen sombra en ciertas zonas? Young logra explicar que la alternancia de las franjas por la imagen
de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas hallándose en concordancia de fase, la vibración
resultante será intensa. Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, la
vibración resultante será nula. Deducción simple imputada a una interferencia, nace la idea de la luz
como estado vibratorio de una materia insustancial e invisible, el éter, al cual se le resucita. Ahora bien,
la colaboración de Auguste Fresnel para el rescate de la teoría ondulatoria de la luz estuvo dada por el
aporte matemático que le dio rigor a las ideas propuestas por Young y la explicación que presentó
sobre el fenómeno de la polarización al transformar el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto
por Huygens y ratificado por Young, quien creía que las vibraciones luminosas se efectuaban en
dirección paralela a la propagación de la onda luminosa, en transversales. Pero aquí, y pese a las
sagaces explicaciones que incluso rayan en las adivinanzas dadas por Fresnel, inmediatamente queda
presentada una gran contradicción a esta doctrina, ya que no es posible que se pueda propagar en el éter
la luz por medio de ondas transversales, debido a que éstas sólo se propagan en medios sólidos.
En su trabajo, Fresnel explica una multiplicidad de fenómenos manifestados por la luz polarizada.
Observa que dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren, pero no lo hacen si están
polarizados entre sí cuando se encuentran perpendicularmente. Este descubrimiento lo invita a pensar
que en un rayo polarizado debe ocurrir algo perpendicularmente en dirección a la propagación y
establece que ese algo no puede ser más que la propia vibración luminosa. La conclusión se impone: las
vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, como Young lo propusiera, sino perpendiculares a
la dirección de propagación, o sea: transversales.
Las distintas investigaciones y estudios que se realizaron sobre la naturaleza de la luz, en la época
en que nos encontramos de lo que va transcurrido del relato, generaron aspiraciones de mayores
conocimientos sobre la luz. Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la velocidad de la luz con mayor
exactitud que la permitida por las observaciones astronómicas. Hippolyte Fizeau (1819- 1896) concretó
el proyecto en 1849 con un clásico experimento: Hacer pasar la luz reflejada por dos espejos entre los
intersticios de una rueda girando rápidamente, determinó la velocidad que podría tener la luz en su
trayectoria, que estimó aproximadamente en 300.000 km/s. Después de Fizeau, lo siguió León Foucault
(1819 – 1868) al medir la velocidad de propagación de la luz a través del agua. Ello fue de gran interés,
ya que iba a servir de criterio entre la teoría corpuscular y la ondulatoria. La primera, como señalamos,
requería que la velocidad fuese mayor en el agua que en el aire; lo contrario exigía, pues, la segunda.
En 1851, Foucault logró comprobar, experimentalmente, que la velocidad de la luz cuando se propaga
el agua es inferior a la que experimenta en el aire. Con ello, la teoría ondulatoria adquiere cierta
preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el camino hacia la gran síntesis realizada por Maxwell.
De la Teoría Electromagnética a la Teoría cuántica de la luz
Maxwell, en 1865, descubre 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.
Sin embargo, la teoría electromagnética clásica no podía explicar la emisión de electrones por un
conductor cuando incide luz sobre su superficie, fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico. Este
efecto consiste en la emisión espontánea de electrones (o la generación de una diferencia de potencial
eléctrico) en algunos sólidos (metálicos o semiconductores) irradiados por luz. Fue descubierto y
descrito experimentalmente por Heinrich Hertz en 1887 y suponía un importante desafío a la teoría
electromagnética de la luz. Por lo tanto es necesario volver a la teoría corpuscular, como hizo Planck en
1900. Esta teoría establece que los intercambios de energía entre la materia y la luz, sólo son posibles
por cantidades finitas: cuantos de luz, que posteriormente se denominarán fotones. Esta teoría tropieza
con el inconveniente de no poder explicar los fenómenos de tipo ondulatorio como interferencia y
difracción. Nos encontramos nuevamente con dos hipótesis contradictorias, la teoría electromagnética y
la de los cuantos.
En 1905, el joven físico Albert Einstein presentó una explicación del efecto fotoeléctrico basándose
en una idea propuesta anteriormente por Planck para la emisión espontánea de radiación lumínica por
cuerpos cálidos y postuló que la energía de un haz luminoso se hallaba concentrada en pequeños
paquetes, que denominó cuantos de energía y que en el caso de la luz se denominan fotones. El proceso
del efecto fotoeléctrico consistiría en la transferencia de energía de un fotón a un electrón. Cada fotón
tiene una energía proporcional a la frecuencia de vibración del campo electromagnético que lo
conforma. Posteriormente, los experimentos de Millikan demostraron que la energía cinética de los
fotoelectrones coincidía exactamente con la dada por la fórmula de Einstein.
El punto de vista actual (De Broglie, 1924) es aceptar el hecho de que la luz posee una doble
naturaleza que explica de forma diferente los fenómenos de la propagación de la luz (naturaleza
ondulatoria) y de la interacción de la luz y la materia (naturaleza corpuscular). Esta dualidad ondapartícula, postulada inicialmente para la luz, se aplica en la actualidad de manera generalizada para
todas las partículas materiales y constituye uno de los principios básicos de la mecánica cuántica.