Lecture5

AST0111 — Astronomía
Clase 5
La Luz
ENERGÍA se define como la capacidad de un cuerpo de cumplir un trabajo.
Desde un punto di vista termodinámico, se define energía todo lo que
se puede convertir en calor.
el calor es una forma de energía
otras son:
energía mecánica (cinética + potencial)
energía química
energía nuclear
energía eléctrica
energía bioquímica
energía luminosa
la luz también es una forma de energía
La Luz
¿Qué es la luz?
La luz es una forma de energía.
Se puede transformar en calor: la luz calienta los objetos
Hay objetos que emiten y otros que absorben luz.
Sol → emite
Planeta → absorbe y refleja
La luz viene en diferentes colores
Sol: amarillo - blanco
cielo: azul en el día y rojo al atardecer → luz del Sol tiene azul y rojo
Energía
El transporte de energía se realiza por:
▸ Convección movimiento de grandes masas de un
fluido (aire, gas, agua...) que transporta el calor
entre zonas con distintas temperaturas
▸ Conducción se realiza cuando hay contacto – pero no
transferencia de masa – entre dos cuerpos a
distintas temperatura. Las partículas del cuerpo
más caliente tienen mayor vibración, y la transfieren,
por choques, a las partículas del cuerpo más frío.
Prevale en los cuerpos sólidos.
▸ Radiación propagación de energía a través de ondas
electromagnéticas (= luz). Es la única forma de
transportar energia en el vacío.
Espectro de la luz blanca
En 1704 Newton hizo pasar la luz del Sol por un prisma.
Observó que la luz del Sol se descompuso en muchos colores: Espectro
Eso lo vemos a menudo en el arco iris, cuando las gotitas de agua actúan como
prismas.
1 nm = 10–9 m
1 nm = 10 Å
Espectro de la luz blanca
Cuando hay gotas de agua en el aire, estas pueden
dispersar la luz del sol creando un espectro en el cielo.
El centro del arco iris es siempre opuesto al Sol en el cielo
(=debajo del horizonte) y el arco forma un ángulo de
~42° con este punto.
La formación del arco iris es un
fenómeno complejo determinado
por multiple refracciones/reflexiones
dentro de cada gota.
Para más detalles mirar wikipedia!
La Luz
La luz (= radiación) tiene distintos “colores” o longitudes de onda o
frecuencias, que van más allá del rango óptico.
Todas las posibles longitudes de ondas de la luz = espectro electromagnético
aquí ordenado de menor a mayor energía:
Radio
Infrared
Visible
Ultraviolet
Soft
X-rays
Hard
Gamma rays
Frequency
(Hertz)
Wavelength
(meters)
Distintos tipos de radiación
Luz de distinta longitud de onda tiene propiedades distintas.
Por ejemplo, la luz IR emitida por las estrellas detrás, puede atravesar esta nube de
polvo. Telescopios que observen en luz IR pueden ver a través de las nubes oscuras.
ÓPTICO
ÓPTICO + INFRAROJO
Distintos tipos de radiación
1 µm = 10–6 m
B
V
I
azul
verde
roja
K
H
J
infrarroja
infrarroja
infrarroja
Ondas
λ Longitud de onda: distancia entre olas (wavelength)
ν Frecuencia: cuantas olas por segundo
Amplitud de onda: altura de la ola
ν=c/λ
λ
Unidades:
c = 299,792 km s–1 = 3x105 km s–1
ν en Hz = s–1 (en honor al físico alemán Heinrich Hertz)
λ en Å = 10–10 m (en honor al físico sueco Anders Ångström)
Ondas
λ Longitud de onda: distancia entre olas
ν Frecuencia: cuantas olas por segundo
Luz roja:
grande longitud de onda
baja frecuencia
Luz azul:
corta longitud de onda
alta frecuencia
ν=c/λ
Fotón
partícula elemental que constituye la luz
ν=c/λ
tiene una frecuencia y una longitud de onda.
Luz monocromática está hecha por muchos fotones todos iguales.
El fotón no tiene masa ni carga eléctrica.
La luz tiene naturaleza de onda y de partícula, a la vez.
Distintos experimentos enfatizan una u otra naturaleza.
Energía
Energía de un fotón está relacionada con su frecuencia.
E = hν = hc / λ
Constante de Planck → h = 6.6 x 10–34 kg m2 s–1
Por ejemplo: los rayos X son más energéticos que la luz amarilla.
Energia se mide en joules [J] = [kg] [m2] [s–2]
o bien en [ergs] = 10–7 [J] = [g] [cm2] [s–2]
Luz roja:
grande longitud de onda
baja frecuencia
BAJA ENERGÍA
Luz azul:
corta longitud de onda
alta frecuencia
ALTA ENERGÍA
Distintas escalas de radiación
Velocidad de la luz
Al encender la luz, tenemos la impresión que la habitación se ilumine al instante.
Sin embargo la luz viaja a una velocidad finita (muy grande, pero finita).
En 1676, Ole Rømer calculó que la luz demora 16.5 min para cruzar 2UA basado en
las observaciones de los tiempos de eclipses del satélite Io por Júpiter.
C = 300 000 km s–1
Albert Einstein: no sólo la luz viaja a una velocidad finita sino que nada puede
viajar más rápido que la luz.
El tiempo entre 2 eclipses de Io se hacía más
y más corto cuando la Tierra se iba acercando
a Jupiter, y más y más largo cuando la Tierra
se alejaba de Jupiter.
Así Rømer concluyó que la luz se demoraba 10-11
minutos en cruzar el diámetro de la órbita terrestre.
La luz como partícula:
Fenómeno de la Aberración
Como la luz tiene una velocidad finita, si nos movemos
rápido podemos detectar la aberración.
Analogía con un paraguas cuando llueve.
La Tierra se mueve a 30 km/s alrededor del Sol, y la luz
de una estrella distante llega a velocidad c=300,000km/s.
Tenemos que apuntar el telescopio inclinado por un ángulo
30/300,000 rad = 20”.
[ es una demostración que la Tierra se mueve alrededor
del Sol, y no viceversa ]
En este experimento la luz se comporta como una
partícula (= como una gota de lluvia)
V
La luz como onda
Dos propiedades intrínsecas
de las ondas:
Interferencia
Difracción
Naturaleza ondulatoria
Christiaan Huygens sugirió en 1678 que la luz se propagaba como una onda.
Thomas Young, 1801, demostró la naturaleza ondulatoria de la luz. Hizo el
experimento de pasar luz por dos ranuras casi juntas, y observó el patrón de
interferencia proyectado que resultaba.
La luz como onda
Interferencia
fuente de luz 1
fuente de luz 2
Interferencia
Los dos frentes de onda interfieren.
Al superponerse, partes de los 2
frentes se suman y partes se restan,
dependiendo del desfase con el que
llegan a la pantalla.
Naturaleza
ondulatoria
Dos propiedades intrínsecas
de las ondas
Interferencia
Difracción
Naturaleza
ondulatoria
Difracción
Idea moderna de la luz
James Maxwell, 1860, describe todas las propiedades del electromagnetismo
en 4 ecuaciones.
Al combinar estas ecuaciones demuestra que los campos eléctricos y magnéticos
se propagan en el espacio.
Son observados como ondas que viajan a 300,000 km s–1
La luz es radiación electromagnética.
Naturaleza dual de la luz
1905: Albert Einstein explica correctamente el efecto fotoeléctrico (Nobel en 1921)
Efecto fotoeléctrico = emisión de electrones por un material cuando se le ilumina
con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general)
Naturaleza dual de la luz
1905: Albert Einstein explica correctamente el efecto fotoeléctrico (Nobel en 1921)
Es posible arrancar electrones de la superficie de metales con haces de ondas cortas
mientras con haces de longitudes más largas esto no ocurre.
Einstein propone que a veces la luz se comporta como onda y otras como partícula.
Propuso la existencia de los fotones.
Propagación de la luz
Toda onda se propaga:
Las ondas acústicas necesitan un medio para propagarse, y su velocidad
depende del medio.
Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio, se pueden propagar
en el vacío, y su velocidad es c.
La luz es una onda transversal = oscila en dirección perpendicular a la que viaja.
Propagación de la luz
✦ Normalmente la luz se propaga en línea recta con velocidad c
✦ El Sol irradia en todas direcciones. Entonces cuando la luz del Sol llega a la Tierra,
está distribuida sobre una cáscara esférica de radio 1 U.A.
➤
La intensidad por unidad de area disminuye como el inverso del cuadrado del
área
➤
El brillo aparente de una fuente depende de la cantidad luz que ha pasado por
unidad de área (pupila).
Ley de la inversa del cuadrado
El flujo (energia por unidad de area A) disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente
El flujo que mido aquí es 1/4 del flujo
medido a distancia r, mientras que la
distancia es el doble (2r)
El flujo que mido aquí es 1/9 del flujo
medido a distancia r, mientras que la
distancia es el triple (3r)