trabajos de fisica: teoria corpuscular y ondulatoria de la luz
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IntroduIntroducción cción
• Son tantas las razones que se pueden invocar para avalar nuestras palabras introductorias sobre la luz que es un trabajo difícil la elección de un ejemplo cuya descripción pueda sintetizar los alcances que ha tenido y tiene para el desarrollo, evolución y comprensión de las teorías de la física y sus leyes.
Generación de la Generación de la luzluz
• Consideramos una ampolleta tradicional, una fósforo y una estrella. Son tres ejemplos de fuentes de luz propia y al analizar su comportamiento se observa que tienen en común el hecho de que en todas ellas ocurre un proceso (físico, químico, nuclear) que cursa con un balance favorable de energía.
• La ampolleta tiene un filamento muy fino de Wolframio (también llamado tungsteno) encerrado en una ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío o se ha rellenado con un gas inerte, para evitar que el filamento se volatilice por las altas temperaturas que debe alcanzar. Cuando se conecta a la corriente eléctrica, el filamento se calienta por efecto Joule y enrojece hasta ponerse al llamado "rojo blanco", emitiendo luz. Este proceso físico se llama incandescencia.
• El fósforo se enciende cuando se frota su cabeza en una superficie de lija. La cabeza de la cerilla contiene un agente oxidante y la superficie de fricción está compuesta generalmente por fósforo rojo, compuestos de azufre y óxido de hierro. Raspando la cerilla sobre la cinta que contiene el fósforo rojo, una pequeña cantidad del mismo se transforma en fósforo blanco que se inflama instantáneamente. El calor generado enciende a su vez los compuestos de la cabeza de la cerilla.
• En cuanto a la estrella, en su interior se producen reacciones nucleares de fusión. La reacción de fusión más típica obtiene un núcleo de helio a partir de dos núcleos de hidrógeno. Para que se pueda producir los núcleos de hidrógeno se han de acercar a una distancia extraordinariamente corta venciendo la repulsión eléctrica. Para ello se requiere una temperatura elevadísima como la hay en el interior de nuestro Sol.
• A la vista de estos ejemplos de emisión de luz, planteamos el concepto de que la luz es energía que se propaga desde un foco o fuente luminosa en todas las direcciones. Establecido este concepto de partida, interesa precisar mejor la naturaleza de la radiación luminosa, más concretamente, interesa saber cual de los dos mecanismos de propagación de la energía que concibe la física (mediante partículas y mediante ondas) ocurre en la luz.
HistHistoriaoria
• 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. Newton concluye que la luz blanca o natural está compuesta por todos lo colores del arcoiris.
• Isaac Newton propuso una 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 luminosos, los cuales se propagan en línea recta , pueden atravesar medios transparentes y ser reflejados por materias opacas. Esta teoría explica la propagación rectilínea de la luz (fig.1) , la refracción (fig.2) y reflexión (fig.3)
(fig.1)
Teoría corpuTeoría corpuscularscular
(fig.2)
(fig.3)
Propagación rectilínea de la Propagación rectilínea de la luzluz • La línea recta de propagación de la luz se denomina
rayo luminoso. Se utilizan líneas rectas para representar las ondas luminosas y explicar la existencia de sombras, penumbras y eclipses.
• Si colocamos delante de un foco luminoso extenso (luz de una linterna) un cuerpo opaco, observamos que detrás de él aparecen:
• Zonas donde no llega ningún rayo de luz (zona de sombra).
• Otras donde llegan solamente algunos rayos de luz (zona de penumbra).
• Otras donde llegan todos los rayos de luz (zona iluminada).
La refraLa refraccióncción • Cuando la luz pasa
de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción.
La refleLa reflexiónxión • es el cambio de dirección de un rayo o
una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.
(Ejemplo)
• 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.
• Newton consideró a la luz semejante a un flujo de proyectiles que son emitidos por un cuerpo que genera luminosidad . 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, como veremos más adelante, con la teoría ondulatoria de la luz, la que propugna una propagación más lenta de la luz en el paso a través de materiales más densos.
Teoría ondulatoria de la Teoría ondulatoria de la luzluz• Propugnada por
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.
• Propuso el modelo ondulatorio, en el que se defendía que la luz no era mas que una perturbación ondulatoria, parecida al sonido, y de tipo mecánico pues necesitaba un medio material para propagarse. Supuso tres hipó tesis:
• todos los puntos de un frente de ondas eran centros emisores de ondas secundarias;
• de todo centro emisor se propagaban ondas en todas direcciones del espacio con velocidad distinta en cada medio;
• como la luz se propagaba en el vacío y necesitaba un material perfecto sin rozamiento, se supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter, que hacía de soporte de las ondas.
• Las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó éter.
• 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 transito 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, y tal como ya lo mencionamos, dado al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta la Teoría Ondulatoria de la luz.
• 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
• El mayor logro de Huygens fue el desarrollo de la teoría ondulatoria de la luz, descrita ampliamente en el Traité de la lumière (1690), y que permitía explicar los fenómenos de la reflexión y refracción de la luz mejor que la teoría corpuscular de Newton.
ConcluConclusión sión