ATRAPAR UN FOTÓN
Juan José Suárez Menéndez
IES “Pando” de Oviedo
ATRAPAR UN FOTÓN

La naturaleza de la luz ha interesado
siempre al hombre.

Responder, por ejemplo, que la luz está
compuesta de fotones, no es responder; a
menos que ya estuviéramos de acuerdo
en el significado de la palabra fotón.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Un
fotón no es un objeto que
pertenezca a nuestra
experiencia ordinaria, como
una pelota, ni como ninguna
otra cosa conocida por todos.
ATRAPAR UN FOTÓN

El concepto del fotón se desarrolló intentando
explicar fenómenos luminosos muy diversos,
algunos de ellos en aparente contradicción, a
partir de hipótesis simples.

El concepto de fotón es el resultado de la
evolución de nuestras ideas sobre la naturaleza
de la luz, y con él podemos explicar, sin
contradicciones, todos los fenómenos luminosos
conocidos.
ATRAPAR UN FOTÓN

Un fotón no se parece a ningún objeto de
nuestra experiencia común. No es como
una pelota, ni como una canica, ni
tampoco como las ondas sonoras; aunque
en algunos fenómenos ciertos aspectos
de su comportamiento son como los de
las partículas materiales y en otros como
los de las ondas.
ATRAPAR UN FOTÓN

La representación de una idea en forma
de imágenes de objetos conocidos no es
esencial para la ciencia, lo importante es
que con esa idea podamos describir los
fenómenos.

Las ideas sobre la luz han dependido de
los fenómenos luminosos que se ha
pretendido explicar con ellas.
ATRAPAR UN FOTÓN

Cuando se conocían sólo los fenómenos
luminosos más comunes, las ideas sobre
la naturaleza de la luz eran muy simples;
pero a medida que se fueron conociendo
fenómenos luminosos más complejos,
esas ideas cambiaron para adaptarse a
los fenómenos ya conocidos y a los
nuevos dentro de una misma teoría.
ATRAPAR UN FOTÓN
No
es posible comprender
las ideas modernas sobre la
luz sin conocer los
fenómenos luminosos que
les dieron origen.
ATRAPAR UN FOTÓN

En este tema se desarrollan las ideas
sobre la luz a partir de la discusión de
algunos de los fenómenos y experimentos
más importantes sobre ella; desde las
primeras ideas griegas acerca de la luz
hasta las contemporáneas, en las que
intervienen fenómenos a escala atómica y
el concepto del fotón.
Los rayos táctiles

En tiempos anteriores a la antigua
civilización griega, las ideas sobre la
naturaleza de la luz estaban llenas de
misterio.

Además, no se mantenían por mucho tiempo:
desaparecían y regresaban en forma apenas
diferente.
Los rayos táctiles


De los antiguos griegos vienen las primeras
ideas útiles sobre la luz y, posiblemente por
esto, se sostuvieron durante siglos.
Los griegos no distinguían claramente la luz
de la vista y basaban sus ideas sobre ambas
en la hipótesis de los rayos visuales táctiles
atribuida a Pitágoras.
Los rayos táctiles

Según esta hipótesis, el ojo emite rayos rectos
infinitamente tenues que al ser interrumpidos
por los objetos producen la sensación de ver.

Estos rayos táctiles deberían ser rectos para
explicar la propagación rectilínea de la luz; o
sea, para explicar el hecho de que podemos
ver a través de un tubo sólo si éste es recto.
Los rayos táctiles

La propagación rectilínea de la luz se puede
demostrar con este sencillo experimento. La vela se
ve por el tubo sólo si está derecho.
Los rayos táctiles

La percepción por medio de esos rayos visuales sería,
pues, análoga a la percepción táctil cuando utilizamos
brazos y manos para discernir la forma y el tamaño de
los objetos.

Un objeto grande separaría más los rayos táctiles que
un objeto pequeño y esta mayor separación angular de
los rayos produciría en la mente la sensación de mayor
tamaño del objeto más grande.

La hipótesis de los rayos visuales de Pitágoras suponía que éstos eran
emitidos por los ojos y al ser interrumpidos por los objetos producían la
sensación de ver. El tamaño de los objetos se percibía por la separación
anular de los rayos interrumpidos
 La
hipótesis de los rayos táctiles
explicaba también la aparente
disminución de tamaño de un objeto al
alejarse, ya que los rayos táctiles
interrumpidos por el objeto formarían
un ángulo menor y menor, hasta
reducirse a cero, al alejarse el objeto del
observador.
 Esto
explicaría por qué las líneas
paralelas que se alejan indefinidamente
parecen converger en un punto; el que
posteriormente se llamaría "punto de
fuga" por los artistas del Renacimiento.
Las líneas paralelas que se alejan indefinidamente parecen converger hacia
un punto del horizonte que posteriormente se llamó "punto de fuga".

Conforme a esta hipótesis la disminución del
tamaño aparente estaría en la misma proporción
que el aumento en la distancia; esto es, si la
distancia aumentara dos veces, el tamaño
aparente disminuiría también dos veces.

Como esto es precisamente lo que ocurre al
tamaño aparente al aumentar la distancia, la
hipótesis de los rayos táctiles se veía apoyada por
la experiencia; al menos por esta experiencia.
 La
hipótesis de los rayos táctiles era útil
porque relacionaba matemáticamente el
tamaño aparente y la distancia, y pudo
emplearse en muchas actividades
prácticas como el diseño y la
proyección de obras de arquitectura o
de ingeniería.
 Pero
más importante para los
griegos resultó su aplicación a la
astronomía para calcular
distancias y tamaños de cuerpos
celestes; por ejemplo, para
calcular el diámetro del Sol.
 Estas
aplicaciones a la astronomía les
permitieron formarse una idea del
tamaño del Universo apoyada en
observaciones y —sobre todo—
apoyada en la geometría, que era la
ciencia perfecta de la cultura griega.
 Todo
esto debe haber contribuido a
que la hipótesis de los rayos visuales
táctiles fuera aceptada hasta por el
mismo Euclides, el creador de la
geometría, y que perdurara unos 1.500
años sin ser seriamente cuestionada.
Los rayos luminosos
• LA TEORÍA pitagórica de los rayos
táctiles prevaleció más de 1 500 años.
Los rayos luminosos
• Esta larga vida de una teoría tan
ingenua se debió a la falta de una
experimentación rigurosa que la pusiera
a prueba, porque en realidad no resiste
el menor contraste experimental.
Los rayos luminosos
• La hipótesis de los rayos táctiles que
emanaban del ojo fue derrumbada de
golpe por un extravagante científico
árabe llamado Abu Ali ibn al-Hasan ibn
al-Haitham, nacido en Basra, Irak,
alrededor del año 965 d.C., fallecido en
El Cairo, Egipto, el año 1039 y conocido
después simplemente como Alhazán.
Los rayos luminosos
• Este singular personaje llegó a Egipto en 996
d.C., contratado por el califa Al-Hakim para
controlar las inundaciones del río Nilo, cosa
que Alhazán se jactaba públicamente de
poder hacer sin gran dificultad.
• Incapaz, sin embargo, de cumplir su irreal
promesa y justamente temeroso de la ira del
califa, Alhazán fingió demencia, hasta el
fallecimiento del califa el año de 1021, para
evitar la pena de muerte por su fracaso.
Los rayos luminosos
• A pesar de sus problemas con el río Nilo y con el
califa Al-Hakin, Alhazán pudo hacer un importante
trabajo de investigación en la óptica, o ciencia de la
luz.
• En su principal obra, titulada Kitab al-Manzir en
árabe y traducida al latín como Opticae Thesaurus,
Alhazán demuestra que la visión no puede deberse a
rayos que partan del ojo al objeto, sino del objeto al
ojo.
• De esta manera, distinguió claramente la luz
del sentido de la vista.
Los rayos luminosos
• Un sencillo experimento que
demuestra esto es el muy
conocido de producir fuego
enfocando por medio de una
lupa la imagen del Sol sobre un
papel.
Los fenómenos ópticos importantes en el silo XIII. La
propagación rectilínea de la luz, la reflexión de
imágenes en espejos, la refracción de la luz en agua, el
poder calorífico de los rayos solares concentrados por
una lente y la aparición del arco iris.
Los rayos luminosos
• Si los rayos táctiles existieran,
la imagen del Sol sobre el papel
resultaría de rayos visuales que
de alguna manera se habrían
reflejado en el papel, pasado
por la lente y alcanzado el Sol.
Los rayos luminosos
• El papel, por lo tanto, no debería
inflamarse si cerráramos los ojos o
miráramos para otro lado mientras se
mantiene la imagen enfocada.
Los rayos luminosos
• Pero el papel sí se inflama si la lupa se
mantiene a la distancia adecuada del
papel, hagamos lo que hagamos; de
manera que la imagen se forma por
algo que llega del Sol, y no de nuestros
ojos, al papel.
Los rayos luminosos
• Otro experimento que también
demuestra la existencia de la luz
independientemente del sentido de la
vista es la formación de imágenes en el
sencillo instrumento llamado "cámara
oscura".
La cámara oscura forma sobre una pantalla
imágenes invertidas de los objetos situados
frente a su pupila. Esto demuestra que la
hipótesis de los rayos visuales es falsa.
Los rayos luminosos
• La cámara oscura emplea un pequeño orificio
para producir una imagen de un objeto
externo sobre una pantalla colocada en un
cuarto oscuro o en una simple caja de cartón.
Los rayos luminosos
• La imagen que se observa es siempre
invertida y esto no se puede explicar con los
rayos táctiles, porque el objeto podría verse
sobre la pantalla, desde el interior de la
cámara sólo si estos rayos se reflejaran en la
pantalla y salieran por el orificio.
Los rayos luminosos
• Según la teoría de los rayos
tactiles percibiríamos el objeto
igual que si lo viéramos
directamente; esto es, lo
veríamos derecho y no
invertido.
Los rayos luminosos
• Sin embargo, si suponemos que
cada punto del objeto externo
emite rayos rectos en todas
direcciones, aquellos que partiendo
de un punto en la parte superior del
objeto pasaran por el orificio
producirían un pequeño punto
luminoso de la imagen en la parte
inferior de la pantalla.
Los rayos luminosos
• La imagen completa estaría invertida, y
esto es precisamente lo que se
observa.
• Sirviéndose de estos y de otros
experimentos, Alhazán eliminó para
siempre de la ciencia de la luz la
hipótesis pitagórica de los rayos
táctiles; aunque todavía usemos
expresiones, como "echar una mirada",
que nos la recuerdan.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA
La suposición de que cada punto de un
objeto luminoso o iluminado emite rayos
rectos de luz en todas direcciones es la
hipótesis principal de una teoría de la luz
extraordinariamente fructífera que, hasta
la fecha, se llama óptica geométrica.
 El nombre se debe a que en esta teoría
la naturaleza de los rayos luminosos no
se cuestiona; ni siquiera es importante.

LA ÓPTICA GEOMÉTRICA
La hipótesis básica de la óptica después de
Alhazán: Cada punto de un objeto luminoso
emite rayos rectos de luz en todas direcciones.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

El propósito de la teoría es solamente
entender, o predecir, lo que ocurre a los rayos
emitidos por los objetos cuando son
interceptados por diversos objetos opacos,
como en la cámara oscura, o desviados de su
camino recto de maneras que veremos
enseguida.
 Como para esto solamente es necesario
aplicar conocimientos de geometría a cada
problema, el nombre de la teoría es óptica
geométrica.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

Trazando sobre un esquema algunos sencillos
rayos rectos se encuentran fácilmente las
regiones de sombra producidas por un cuerpo
opaco iluminado por cuerpos luminosos.
 Estas regiones se llaman, en general, la
"sombra geométrica" del cuerpo. Por ejemplo,
una esfera iluminada por un solo punto
luminoso produce un solo cono de oscuridad
total, llamado umbra, a donde no llega ningún
rayo emitido por el punto luminoso.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

La óptica geométrica explica la forma de la sombra producida por
un cuerpo opaco. Esta región se llama sombra geométrica. En la
figura es el cono formado por las tangentes de la esfera. A esta
zona no llega ningún rayo de luz; se llama "umbra".
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

Este cono lo forman las tangentes a la esfera
desde el punto luminoso. Fuera de él la luz
llega a todas partes.
 Pero si la esfera opaca está iluminada por una
esfera luminosa, además del cono de
oscuridad total limitado ahora por las
tangentes exteriores a las dos esferas, se
produce una zona sólo parcialmente oscura a
la que llega luz de algunas partes de la esfera
luminosa.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

Esta zona se llama penumbra (casi sombra) y
está limitada por la umbra y por el cono
formado por las tangentes interiores a las
esferas.
 Estas zonas se observan claramente durante
los eclipses lunares.
 La Luna adquiere un color rojo cobrizo cuando
está en la región de penumbra y se oscurece
casi completamente en la región de umbra.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

En la figura, la umbra es el cono formado por las tangentes
exteriores a las dos esferas; fuera de ésta hay una zona donde
llega luz, pero sólo de algunas partes del objeto luminoso. Esta
región, llamada prenumbra, está incluida entre la umbra y el cono
de las tangentes interiores a las dos esferas.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA
La cámara oscura es un ejemplo
interesante de aplicación de la óptica
geométrica.
 Si en un diagrama trazamos las
imágenes de un mismo objeto colocado
a distintas distancias de la cámara,
encontramos fácilmente que el tamaño
de la imagen disminuye en la misma
proporción que aumenta la distancia.

LA ÓPTICA GEOMÉTRICA
Esto es, la relación del tamaño de la
imagen con la distancia es la misma que
en el caso del tamaño aparente en la
teoría de los rayos táctiles.
 Esto sugiere que el ojo funciona como
una cámara oscura.

LA ÓPTICA GEOMÉTRICA


El ojo funciona como
una cámara oscura. Los
rayos luminosos que
pasan por la pupila
forman una imagen
(invertida) del objeto
sobre la retina.
Ésta, que se encuentra
en el fondo del ojo, la
trasmite al cerebro por
el nervio óptico.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA


El orificio de la cámara es la pupila en el ojo; ese
pequeño círculo negro colocado en el centro del
iris. La cavidad formada por el globo del ojo no
está vacía como en la cámara oscura, sino llena
de un medio gelatinoso transparente llamado
"humor vítreo" que deja pasar la luz sin dificultad.
La imagen de un objeto se forma en el fondo del
ojo sobre un fino tejido nervioso, sensible a la luz,
llamado retina, que la trasmite al cerebro por un
gran número de fibras nerviosas que se juntan en
un solo nervio llamado nervio óptico.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA
 El
tamaño aparente de un objeto
depende del tamaño de la imagen
que forma en la retina.
 Si el objeto se aleja el tamaño de su
imagen disminuye y se ve más
chico.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

Por esto las líneas paralelas que se alejan de
nuestros ojos parecen converger en un punto
lejano, en el horizonte, llamado por los artistas
"punto de fuga“
 La variación del tamaño aparente de los
objetos con la distancia es la base del arte de
representar los objetos en una superficie
como aparecen a la vista; o sea, es la base de
la perspectiva.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA
Hay un problema interesante con el
modelo del ojo como una cámara
oscura.
 Aunque sobre la retina se forman
imágenes invertidas, los objetos se
perciben derechos; es decir, de pie. Este
reacomodo lo hace el cerebro y se
puede demostrar con el sencillo
experimento mostrado en la figura.

LA ÓPTICA GEOMÉTRICA
Experimento para demostrar la reinversión de imágenes por el
cerebro. La sombra del objeto proyectada al fondo del ojo se
percibe como si apareciera por arriba, y no por abajo, del
orificio en la tarjeta.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA


El ojo es iluminado por la luz que pasa por
un pequeño orificio perforado con un alfiler
en una tarjeta de cartoncillo que se coloca
frente a la pupila y a unos 10 ó 15 cm de
ella.
Interponiendo un extremo de un palillo entre
la parte inferior del orificio y la pupila, a unos
2 ó 3 centímetros de ésta, se proyecta su
sombra hacia la parte inferior del ojo.
LA ÓPTICA GEOMÉTRICA



La sombra, sin embargo, se ve aparecer precisamente
por la parte superior del ojo; como si el palillo se
hubiera interpuesto por la parte superior y no por la
inferior del orificio.
Esto demuestra que las impresiones ópticas hechas
sobre la retina, imágenes o sombras, son reinvertidas
por los nervios ópticos y el cerebro de manera que la
parte inferior se percibe arriba, la izquierda a la
derecha y viceversa.
Por lo demás, las imágenes que vemos son como las
de una cámara fotográfica, aunque de mucha mejor
calidad.
Reflexión y refracción de la luz


La hipótesis de los rayos rectos luminosos
no es la única hipótesis de la óptica
geométrica.
Para explicar el fenómeno de la reflexión
de la luz es necesario suponer que la
dirección de los rayos luminosos cambia en
algunas circunstancias.
Reflexión y refracción de la luz
Reflexión y refracción de la luz


Una imagen en un espejo se ve como si el objeto
estuviera atrás, y no frente a éste. La óptica
geométrica explica este familiar fenómeno
suponiendo que los rayos luminosos cambian de
dirección al llegar al espejo.
La forma precisa en que ocurre este cambio se
conoce como ley de la reflexión de la luz. Es una
ley muy sencilla: los rayos incidente y reflejado
hacen ángulos iguales con el espejo; o con la
perpendicular al espejo, que es como suelen
medirse estos ángulos.
Reflexión y refracción de la luz
La ley de la reflexión de la luz: el
ángulo de incidencia, i, y el de
reflexión, r, de un rayo luminoso
sobre una superficie son iguales;
esto es i = r.
La ley de la refracción de la luz: el seno del ángulo de incidencia,
sen i, y el seno del ángulo de refracción, sen r', de un rayo luminoso
que atraviesa la superficie de separación de dos medios
transparentes están en las misma proporción para cualquier valor
del ángulo i; esto es, sen i /sen r' = n. Si la luz pasa de aire al agua,
sen i /sen r' = 4/3.
Reflexión y refracción de la luz



Un cuerpo parcialmente sumergido en
agua se ve “chueco”; como si se doblara al
entrar al agua.
Este fenómeno se llama refracción.
Además del agua se observa en muchos
otros medios transparentes, como el vidrio,
llamados refringentes.
Reflexión y refracción de la luz


Era uno de los problemas ópticos pendientes de
solución todavía hacia el siglo XIII.
Los fenómenos de refracción se incorporan a la
óptica geométrica simplemente suponiendo que
los rayos luminosos cambian de dirección no sólo
al reflejarse sino también al pasar de un medio
refringente a otro; por ejemplo, del agua al aire, o
del agua al vidrio, o del vidrio al aire.
Reflexión y refracción de la luz

Un experimento sencillo que demuestra este
cambio de dirección se muestra en la figura.
Reflexión y refracción de la luz

Una moneda pequeña en el fondo de una taza
vacía está apenas oculta por el filo de la taza en
la figura (a).
Reflexión y refracción de la luz
Llenando lentamente la
taza con agua la moneda
aparece poco a poco, hasta
observarse por completo,
en la figura (b).

Los rayos luminosos emitidos por la moneda que llegan al
ojo debido a que son refractados en la superficie del agua
se muestran en esa figura; la moneda se ve en la
dirección de estos rayos.
Reflexión y refracción de la luz



La forma precisa en que cambia la dirección de los rayos en
la refracción, esto es, la ley de la refracción, no es tan simple
como la ley de la reflexión.
Tal vez por esto, aunque el fenómeno de la refracción era
conocido desde la antigüedad, la ley de la refracción no fue
descubierta sino hasta el siglo XV por el astrónomo holandés
Willebrord Snell, quien, inexplicablemente, no la dio a
conocer, describiéndola solamente en sus notas personales
de investigación.
La ley de la refracción fue divulgada por Descartes en 1627,
pero se conoce universalmente como la ley de Snell.
Reflexión y refracción de la luz



No relaciona los ángulos de los rayos luminosos con la
perpendicular a la superficie de refracción, sino los senos de
esos ángulos.
En símbolos matemáticos se expresa así: sen (i) / sen (r') =
constante = n; esto es, el cociente de los senos de los
ángulos de incidencia i y de refracción r' toma el mismo valor
para todos los valores posibles de estos ángulos.
Por ejemplo, si los rayos pasan del aire al agua la cantidad
constante n, llamada índice de refracción, vale 4/ 3 y se tiene
sen (i) / sen (r') = 4/ 3.
Reflexión y refracción de la luz

Un experimento para comprobar la ley de la refracción. La
moneda sumergida en el agua se ve más grande porque los
rayos que parten de ella se abren al salir aire y parecen llegar de
una moneda más cercana. Relacionando los tamaños aparentes
con los ángulos de los rayos se obtiene la ley de la refracción, o
ley de Snell.
Reflexión y refracción de la luz


La ley de la refracción de la luz también
puede ser deducida aplicando la ley de
variación del tamaño aparente con la
distancia. La figura anterior muestra un
sencillo experimento para hacer esto.
Dos monedas pequeñas se ponen en dos
tazas, una vacía y la otra parcialmente
llena de agua.
Reflexión y refracción de la luz

Observándolas desde arriba y a la misma
altura, la moneda sumergida en agua se ve
más grande debido a que por la refracción
de la luz los rayos que emite se abren más
al pasar por la superficie del agua y llegan
al ojo como si hubieran sido emitidos por
una moneda más cercana.
Reflexión y refracción de la luz


De los tamaños aparentes de las dos monedas se
deducen los ángulos que forman los rayos con la
perpendicular a la superficie; el de los rayos
refractados depende de la altura de llenado de la
taza.
Los senos de estos ángulos se obtienen de una
tabla de valores y dividiendo el mayor entre el
menor se encuentra que su cociente siempre es
4/ 3, el índice de refracción del agua;
independientemente de la altura de llenado de la
taza.
Reflexión y refracción de la luz



La hipótesis de los rayos luminosos y las leyes de
la reflexión y de la refracción de la luz son el
fundamento de la óptica geométrica.
Con ellas es posible predecir el curso que tomarán
los rayos luminosos que lleguen a lentes o a
espejos.
Por ejemplo, en la figura 13, los rayos que llegan
de un punto luminoso a la lente de una lupa común
son divergentes, pero se hacen convergentes al
atravesarla debido a las refracciones que ocurren
en las dos superficies del vidrio.
Reflexión y refracción de la luz

Una lupa intercepta rayos divergentes emitidos
por un punto luminoso y los reúne en otro punto.
Los rayos reunidos parecen salir de este lugar.
Se dice que aquí se forma una imagen real del
punto luminoso .
Reflexión y refracción de la luz



Después de alcanzar el punto de convergencia los rayos
vuelven a ser divergentes, de manera que si los vemos
desde un lugar más lejano aún, los percibimos como si se
originaran en el punto de convergencia; es decir, como si el
objeto hubiera sido transportado a ese lugar.
Se dice que en este punto se forma una imagen real del
objeto.
Las leyes de la refracción permiten calcular el lugar preciso
donde se forma esa imagen. Mirando con otra lupa en ese
lugar se observa la imagen amplificada del objeto. Así es,
esencialmente, como funciona un telescopio (Figura 14).
Reflexión y refracción de la luz

Un telescopio sencillo se compone de una lente,
llamada objetivo, que forma cerca de ella una
imagen real de un objeto lejano, y de una lente
de aumento, llamada ocular, con la que se
examina esta imagen.
Reflexión y refracción de la luz



Este instrumento utiliza dos lentes del tipo
llamado convergente, parecidas a la de una lupa
en que son más gruesas en medio que en el
borde.
La primera de ellas —llamada objetivo— produce
una imagen real de un objeto lejano, como la
Luna, en un punto atrás y cerca de la lente.
La segunda lente del telescopio, llamada ocular,
se usa simplemente como una lente de aumento
común para amplificar y observar esta imagen.
Reflexión y refracción de la luz

Resumiendo lo anterior, la óptica
geométrica está compuesta por una
hipótesis, la de los rayos rectos luminosos;
por dos leyes derivadas de la experiencia,
la de la reflexión y la de la refracción de la
luz, y por una ciencia matemática, la
geometría, con la que se puede aplicar
metódicamente a los problemas ópticos.
Reflexión y refracción de la luz


La óptica geométrica ha sido extraordinariamente
fructífera por estar basada en leyes que se
cumplen con precisión y en una ciencia tan
completa como la geometría, pero parte de su
éxito es resultado de su hipótesis principal.
Es decir, aunque no se ha intentado siquiera
aclarar de qué están hechos los rayos luminosos,
deben estar hechos de algo que se propaga
como esos rayos; de otra manera la teoría no
habría tenido tanto éxito.
Reflexión y refracción de la luz


Isaac Newton suponía que los rayos luminosos están
compuestos por partículas extraordinariamente
diminutas que los cuerpos luminosos arrojan a gran
velocidad y que al penetrar al ojo e incidir sobre la
retina estimulan la visión.
Newton apoyaba estas ideas en el fenómeno de la
propagación rectilínea de la luz, pues sólo
suponiéndola compuesta por partículas
independientes podía imaginar que los rayos de luz
pudieran ser separados unos de otros por medio de
un tubo como en la figura 1, o de una lente
convergente como en la figura 13.
Reflexión y refracción de la luz

Otro importante argumento que Newton
daba en apoyo a esta idea era que la luz
no da la vuelta a cuerpos opacos; o bien,
que la sombra geométrica de un cuerpo
está limitada por líneas rectas.
Reflexión y refracción de la luz

Este argumento se esgrimía principalmente
en contra de las ideas de Descartes, quien
suponía que la luz era una "especie de
presión" propagada alrededor de los
cuerpos luminosos que al llegar al ojo
estimulaba la visión.
Reflexión y refracción de la luz

Pero, argüía Newton, una zona de presión
como ésta no tendría por qué no
propagarse alrededor de los cuerpos y
entrar en la sombra geométrica; esto es, si
la luz fuera causada por esas "zonas de
presión", también debería percibirse en la
sombra geométrica de cuerpos opacos.
Reflexión y refracción de la luz

La velocidad de una
pelota de tenis
disminuye y la dirección
de su movimiento se
acerca a la superficie al
entrar al agua. La luz,
por el contrario, al entrar
al agua se aleja de la
superficie. De esto se
deduce que, si la luz
estuviera formada por
partículas, éstas se
moverían más
rápidamente en agua
que en aire
Reflexión y refracción de la luz

Las ideas de Newton desembocaban
también en importantes conclusiones al
aplicarlas a la refracción de la luz.
Reflexión y refracción de la luz


La figura intenta explicar
la refracción estudiando el
movimiento de una pelota
de tenis.
Debido a que la velocidad
de la pelota es diferente
en el agua que en el aire,
la dirección de su
movimiento cambia al
atravesar la superficie;
esto es, se refracta.
Reflexión y refracción de la luz

Y se puede demostrar
que si la velocidad en
el agua es menor que
en el aire el ángulo de
refracción r' es mayor
que el de incidencia i,
como aparece en esa
figura.
Reflexión y refracción de la luz

Pero en la refracción de la
luz ocurre precisamente lo
contrario, el ángulo de
refracción es menor que el
de incidencia al pasar del
aire al agua, o al pasar a
cualquier otro medio más
denso como, por ejemplo,
el vidrio.
Reflexión y refracción de la luz


Es, entonces, inevitable
concluir que, si estuviera
compuesta por partículas,
la luz sería más rápida en
los medios más densos.
En particular, debería ser
más rápida en cualquier
medio transparente que
en el vacío.
Reflexión y refracción de la luz


En tiempos de Newton (1642-1727) sólo era
posible medir la velocidad de la luz por medios
astronómicos y de ninguna manera en un
laboratorio, como hubiera sido necesario para
medirla en agua, o en vidrio, y comparar este
valor con el ya conocido para el vacío.
Por este camino, pues, no fue posible adentrarse
en el conocimiento de la naturaleza de los rayos
luminosos por muchos años.
Difracción de la luz
 EN ITALIA —posiblemente mientras Newton
desarrollaba su famosa Óptica o Tratado de la
reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de
la luz— un jesuita italiano, Francesco Grimaldi
(1618-1663), físico y astrónomo, quien en 1651
dio los nombres que hasta ahora conservan los
accidentes del lado visible de la Luna, descubría
un importante fenómeno óptico llamado por él
mismo difracción de la luz.
 Este fenómeno se presenta siempre que de la
luz emitida por una fuente se separa una
fracción interponiendo un cuerpo opaco y esto
es lo que da origen a su nombre: división en
fracciones.
Difracción de la luz
 La difracción se puede observar interponiendo, justo
frente a un ojo, una ranura muy estrecha recortada en
una lámina opaca; o bien, una ranura formada por los
filos de dos hojas de afeitar pegadas con cinta
adhesiva sobre una ranura más ancha recortada en
una tira de cartoncillo.
Difracción de la luz
 Mirando solamente
por este ojo una luz
distante, por ejemplo
la llama de una vela
colocada a unos
metros de distancia,
esperaríamos
percibir la imagen de
la llama como en la
figura (a).
Difracción de la luz
 Sin embargo, si la ranura es suficientemente estrecha,
se perciben varias imágenes como en la figura (b).
 Esto tampoco es lo que esperaríamos de acuerdo con
la óptica geométrica.
Difracción de la luz
 La figura (a) muestra las regiones geométricas de
iluminación y de sombra producidas por una ranura.
Difracción de la luz
 Si colocáramos el ojo
justo en el origen de
estas regiones los rayos
de la región de
iluminación pasarían al
interior del ojo y
formarían una imagen, y
sólo una, de la llama de
la vela; esto es lo que
vemos por una ranura
ancha.
Difracción de la luz
 Las imágenes múltiples que se observan
con la ranura delgada indican que, al
pasar por la ranura, la luz forma varias
regiones de iluminación a ambos lados de
una región central iluminada que
corresponde, más o menos, a la región
geométrica de iluminación.
Difracción de la luz
 El ojo forma imágenes con los rayos que recibe de cada una de
estas regiones y las percibe como en la figura
Difracción de la luz
 El fenómeno de la difracción de la
luz y otros análogos se observan
más nítidamente en un cuarto
oscuro y si en vez de la llama de
una vela empleamos como fuente
de luz un solo punto luminoso.
Difracción de la luz
 Se consigue uno fácilmente pasando luz de la llama de una vela
por un orificio pequeño perforado en un cartoncillo grueso, negro
de preferencia, en la forma que muestra la figura 19.
Difracción de la luz
 Mirando la luz de la vela que pasa por el orificio a través de la ranura de
difracción colocada justo frente al ojo se observa un conjunto de
bandas luminosas, de intensidad decreciente respecto a la más intensa
del centro, que se llama patrón de difracción de una ranura.
Difracción de la luz
El patrón de difracción
de una ranura parece
negar la propagación
rectilínea de la luz.
Difracción de la luz
 Si pensamos en la luz simplemente como si
fueran rayos, sin importar su naturaleza, las
imágenes laterales parecerían provenir de rayos
desviados de la dirección de los rayos centrales;
es decir, de rayos que habrían torcido su rumbo
al pasar los filos de las hojas y penetrado en la
sombra geométrica.
 El fenómeno de la difracción de la luz, por lo
tanto, contradice la hipótesis de los rayos rectos;
es decir, contradice la hipótesis de la
propagación rectilínea de la luz. Parece que la
luz, después de todo, sí puede dar la vuelta a los
objetos opacos.
Difracción de la luz
 Si pensamos en la luz como rayos formados por
partículas, o corpúsculos, el fenómeno de la
difracción de la luz nos lleva también a
consecuencias muy interesantes.
 Podríamos, por ejemplo, imaginar un
sencillísimo experimento para medir el "tamaño"
de tales partículas; simplemente pasaríamos luz,
como la proveniente de una vela, por ranuras
más y más estrechas hasta alcanzar una que
apenas permitiera su transmisión.
 El diámetro de las "partículas de luz" sería
apenas superior a la anchura de esta ranura.
Difracción de la luz
 Sin embargo, observando la
llama de una vela a través de
ranuras de difracción de
diferentes anchuras, o con una
ranura estrecha de anchura
variable como la de la figura, se
encuentra que todas producen
imágenes múltiples; esto es, se
comprueba que no es posible
encontrar una ranura que
"apenas permita el paso de la
luz"; para conseguir esto es
necesario cerrar la ranura
completamente.
Difracción de la luz
 Las "partículas" que según Newton
compondrían los rayos luminosos
parecerían, pues, carecer de dimensiones
definidas, ya que la luz pasa por las
ranuras más estrechas.
 Este sorprendente resultado no
demuestra, sin embargo, que la luz no
está compuesta por partículas; sólo
demuestra que, si lo estuviera, las
partículas no serían como pequeñísimas
canicas ni pelotas rígidas con dimensiones
definidas.
LA ÓPTICA ONDULATORIA




LA DIFRACCIÓN de la luz puso a pensar a muchos
científicos, incluyendo a Grimaldi, su propio
descubridor.
La hipótesis de los rayos rectos luminosos enfrenta,
ciertamente, serios problemas lógicos para explicar
este fenómeno.
¿Cómo le dan la vuelta los rayos a los cantos de la
ranura e invaden la sombra geométrica?
Éste es sólo uno de los principales interrogantes que
se plantean.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



Otro problema que resulta del fenómeno de la
difracción en la teoría de los rayos es la
multiplicidad de las imágenes.
¿Por qué se forman varias imágenes
luminosas?
¿por qué los rayos trasmitidos por la ranura
habrían de preferir propagarse en unas
direcciones y rehusar hacerlo en otras?.
LA ÓPTICA ONDULATORIA
Estos problemas no pueden ser resueltos
por medio de la teoría de los rayos.
 Para resolverlos es necesario abandonar
por completo la hipótesis de que la luz
está formada por rayos rectos.

LA ÓPTICA ONDULATORIA


La idea Cartesiana de la "especie de presión"
que se propaga en un medio que rodea a la
fuente luminosa explicaría que la luz dé la
vuelta a obstáculos, ya que esa "especie de
presión" pasaría por la ranura y se propagaría
en el medio que la rodea, en particular en el
que está atrás de ella.
Pero para explicar las imágenes múltiples es
necesario suponer algo más.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Este "algo más" se sugiere de otro fenómeno
óptico que se observa haciendo pasar luz de
una fuente por dos ranuras estrechas contiguas.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Este experimento, llamado de la ranura doble, fue
ideado por el físico inglés Thomas Young en 1815 y
se puede realizar fácilmente con los mismos
elementos empleados para observar la difracción.
La ranura doble se construye dividiendo
longitudinalmente, con un alambre fino de cobre o un
hilo de seda, una de las ranuras sencillas que se
construyen fijando con cinta adhesiva dos hojas de
afeitar, filo a filo, sobre una ranura mucho más ancha
recortada en una tira de cartoncillo duro.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Una ranura doble para
observar el fenómeno de
interferencia en la luz
construida dividiendo
longitudinalmente una
ranura delgada por
medio de un alambre
fino de cobre o con un
hilo fino de seda.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Mirando con un solo ojo a través de la ranura
doble la llama de una vela distante unos 5 metros,
con la ranura colocada justamente frente al ojo
abierto, se observa un patrón de imágenes
múltiples como el de la figura.
LA ÓPTICA ONDULATORIA
 En
este patrón, como era de
esperarse, aparecen las imágenes
laterales de difracción de cada una de
las dos ranuras; éstas son las más
distantes del centro.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Pero más cerca del centro, en donde se
formaría la banda central del patrón de
difracción de una ranura, aparecen ahora varias
imágenes más brillantes y detalladas que las de
difracción.
Estas imágenes múltiples se llaman "imágenes
de interferencia" porque se obtienen sólo si la
luz proveniente de un sitio interfiere con luz
similar que proviene de otro sitio; en este
experimento esos sitios diferentes son las dos
ranuras.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Si se hace el experimento empleando, en vez
de la vela, un punto luminoso como el de la
figura 19, se observan con gran nitidez varias
brillantes imágenes de interferencia del punto
luminoso.
Si las dos ranuras y el alambre que las separa
son de la misma anchura, se observan tres
imágenes prácticamente de la misma
intensidad.
LA ÓPTICA ONDULATORIA
Los fenómenos de interferencia son
típicos del llamado movimiento
ondulatorio de un medio, como el aire o
el agua.
 Un ejemplo común de movimiento
ondulatorio es el que ocurre en una
superficie de agua tranquila al arrojar un
objeto pequeño en ella.

LA ÓPTICA ONDULATORIA

Ondas circulares formadas al caer un objeto
pequeño en agua tranquila.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


El impacto del objeto produce una pequeña
deformación, compuesta por una depresión y
una elevación de la superficie, que aumenta de
diámetro propagándose a su alrededor como una
onda de forma circular.
Las oscilaciones posteriores del agua en el sitio
del impacto producen otras ondas similares que
siguen a la primera a intervalos iguales de
distancia y de tiempo.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Si se producen ondas circulares como éstas en
dos puntos cercanos del medio, en ciertos
lugares suman sus efectos y producen una
deformación mayor de la superficie porque las
depresiones y las elevaciones de las dos ondas
coinciden, mientras que en otros sus efectos se
cancelan porque la depresión de una onda
coincide con la elevación de la otra.
En los primeros sitios se dice que las ondas
interfieren constructivamente y, en los segundos,
que interfieren destructivamente.
LA ÓPTICA ONDULATORIA
 Estas
zonas de
interferencia se
pueden observar
en un diagrama
como el de la
figura .
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Diagrama de Young
para observar las zonas
de interferencia
constructiva de ondas
circulares. Viendo el
diagrama en un ángulo
oblicuo desde el extremo
opuesto a los centros
estas zonas son las que
aparecen más oscuras.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


En éste, las posiciones de las ondas en cierto
instante están representadas por los círculos
concéntricos centrados en sus sitios de origen S1
y S2.
Mirando el diagrama en un ángulo oblicuo desde
el extremo opuesto a S1 y S2, se distinguen unas
regiones más oscuras que alternan con otras más
claras; las primeras son las de interferencia
destructiva, o negativa, de las ondas circulares.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Este ejemplo sugiere que las imágenes de
interferencia observadas en el experimento de
la ranura doble resultan de la interferencia
constructiva de movimientos ondulatorios que
se originan en las dos ranuras.
Qué es exactamente lo que se mueve y qué
medio lo propaga no es importante por ahora;
así como no era importante en la óptica
geométrica la naturaleza de los rayos para
describir muchos fenómenos ópticos.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



Podemos pensar, si queremos, que lo que se mueve
son zonas de esa "especie de presión" cartesiana, que
se propagan como ondas desde cada ranura sumando
sus efectos en los lugares donde se observan las
imágenes de interferencia.
Esto explicaría que la luz dé la vuelta a los filos de las
ranuras, así como la aparición de imágenes múltiples
de interferencia, sin que sea necesario aclarar todavía
lo que es esa "especie de presión".
Podríamos, incluso, llamarlas “zonas de perturbación
del medio", o simplemente zonas de "perturbación".
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Las imágenes múltiples de difracción
por una sola ranura se explican muy
bien también con estas ideas de la
luz como un fenómeno ondulatorio.
Imaginamos ahora que la ranura
está compuesta por un gran número
de ranuras contiguas y mucho más
angostas, y que cada una de ellas
produce ondas de perturbación del
medio al mismo ritmo que las
demás.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Combinando los efectos de estas ondas en cada
punto atrás de la ranura, sumándolos o
restándolos según tengan la misma dirección o
direcciones opuestas al llegar a ese punto, se
encuentran zonas de mayor o de menor
perturbación que corresponden exactamente con
las de iluminación y de sombra observadas
visualmente o con una fotografía.
Así pues, es también la interferencia de ondas,
aunque de muchas ondas, la causante del patrón
de difracción, y el "algo más" que buscábamos
para explicarlo es el movimiento ondulatorio de
las zonas de perturbación del medio.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


La óptica ondulatoria, o teoría ondulatoria de la luz,
nació de analogías como éstas entre fenómenos
ópticos y fenómenos propios de movimientos
ondulatorios conocidos como el de las ondas en
líquidos, o el aún más conocido de las ondas acústicas
que producen el sonido.
Un movimiento ondulatorio muy simple se puede
observar en una manguera de jardín fija a la pared por
un extremo y movida rítmicamente hacia arriba y
hacia abajo por el extremo suelto al tiempo que se le
mantiene tensa.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Ondas elásticas en una manguera de jardín.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Cada oscilación produce en la manguera una
joroba que avanza hacia el extremo opuesto
seguida por otras jorobas análogas a intervalos
iguales de distancia y de tiempo, tal y como
ocurre con las ondas circulares en la superficie
del agua.
Estas ondas se llaman ondas elásticas porque
se propagan en un medio elástico como es el
hule de la manguera.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



El tiempo que toma generar una joroba completa se llama
periodo y es igual al tiempo necesario para ejecutar la
oscilación completa del extremo suelto por la manguera.
La distancia horizontal que ocupa una joroba completa se
llama longitud de onda.
Como cada joroba avanza una longitud de onda en el
transcurso de un periodo, la velocidad de avance de la onda es
igual a la longitud de onda dividida entre el periodo; por
ejemplo, si cada joroba ocupa una longitud horizontal de 0.6
m, y el tiempo de cada oscilación del extremo suelto de la
manguera es de 2 s, la longitud de onda es de 0.6 m, el periodo
es de 2 s y la velocidad de avance de la onda es de (0,6m)/(2s)
= 0,3 m/ s.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



El número de jorobas que se producen cada segundo
es igual al número de oscilaciones que se den, cada
segundo, al extremo suelto de la manguera.
Esta cantidad se llama frecuencia de la onda y se
puede obtener dividiendo la unidad entre el periodo;
en el ejemplo anterior la frecuencia es igual a 1/(2s) =
0,5/s, o bien, 0,5 Hz (léase hertzios).
Se comprueba fácilmente que la velocidad de avance
de la onda se obtiene también multiplicando la
longitud de onda y la frecuencia; en este ejemplo, se
tiene: velocidad = (0,6 m) x (0,5 Hz) = 0,3 m/s.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



El sonido es un movimiento ondulatorio que se
propaga en el aire y en otros medios materiales.
Por ejemplo, al sonar una campana sus
vibraciones producen, alternadamente, zonas de
compresión y de expansión del aire que la rodea.
Estas zonas se propagan en forma parecida a la
de las ondas circulares del agua, pero como
pueden hacerlo en todas direcciones forman una
onda esférica.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Ondas esféricas de compresión y de expansión del aire
producidas por las vibraciones de una campana. Se
propagan a la velocidad del sonido, 330 m/s .
LA ÓPTICA ONDULATORIA




La distancia entre dos zonas consecutivas de
compresión o de expansión del aire es la longitud de
onda y la frecuencia de vibración de la fuente es
también la frecuencia de la onda.
Estas ondas se llaman, en general, ondas sonoras o
acústicas. Su velocidad de propagación en aire es de 330
m/s aproximadamente.
Al llegar al oído hacen vibrar el tímpano y si la
frecuencia de vibración está comprendida entre unos 20
Hz y unos 16.000 Hz producen la sensación de sonido.
La longitud de onda está comprendida entre (330
m/s)/(20 Hz) = 16,5 m y (330 m s)/(16.000 Hz) =
0,021 m = 22,1 cm.
LA ÓPTICA ONDULATORIA




Todos los movimientos ondulatorios producen
fenómenos análogos.
Por ejemplo, el sonido se refleja en paredes sólidas en
forma análoga a la reflexión de la luz en espejos; este
fenómeno se llama eco.
El sonido da la vuelta a obstáculos en forma análoga a
la difracción de la luz; por esto se pueden oír
conversaciones alrededor de una esquina, y de una
habitación a otra si una puerta intermedia está abierta.
El sonido también produce fenómenos de interferencia.
Cuando suenan dos notas musicales muy parecidas se
escuchan fácilmente modulaciones de su intensidad,
llamadas batimientos, que resultan de la interferencia de
las ondas que las notas producen.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Estas analogías entre fenómenos ópticos y acústicos fueron
demostradas por los experimentos con ranuras realizados por
Thomas Young hacia 1815 y dieron una gran fuerza a la
hipótesis de que la luz, como el sonido, es un fenómeno
ondulatorio que resulta de ondas esféricas que se producen en
cada punto de los cuerpos luminosos y se propagan en los
medios transparentes, como el aire, el agua, el vidrio o el
vacío.
Ésta es la hipótesis fundamental de la óptica ondulatoria y con
ella es posible entender fenómenos ópticos inexplicables con
la teoría de rayos, sin que sea siquiera necesario en muchos
casos precisar la naturaleza de las ondas luminosas; es decir,
sin que sea necesario precisar la propiedad del medio que es
perturbada y que se propaga en forma de ondas luminosas.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



Por ejemplo, se pueden calcular los ángulos de
desviación de la luz difractada por una ranura
conociendo solamente la anchura de la ranura y la
longitud de onda de la luz, sin que sea necesario
precisar la propiedad del medio que constituye las
ondas luminosas.
Así, el ángulo de desviación de la luz que forma la
primera imagen lateral se calcula con la fórmula  =
38,2 (L/a); siendo "L" la longitud de onda de la luz y
"a" la anchura de la ranura.
Desde luego, también se puede calcular la longitud de
onda de la luz difractada y de la anchura de la ranura
utilizando la fórmula anterior en la forma L =
(/38,2)a.
LA ÓPTICA ONDULATORIA




Por ejemplo, si la anchura de la ranura es de 0,001cm y el
ángulo de desviación de la luz que forma la primera imagen
lateral es de 1,9º, la longitud de onda de la luz es L =
(1,9º/38,2) x 0,001 = 0,0005 cm.
De manera similar Thomas Young midió la longitud de onda
de la luz de cada color del arco iris encontrando que son
diferentes.
La de la luz roja, por ejemplo, es de unos 0,000075 cm; la de
la amarilla es de unos 0.00060 cm y la de la luz violeta de
0.000040 cm.¡entre 100.000 y 1.000.000 de veces más
pequeñas que las longitudes de onda de las ondas acústicas!
La frecuencia de las ondas luminosas se pudo calcular también
fácilmente porque la velocidad de la luz, 300.000 km/s =
3.000.000.000 cm/s, ya era conocida.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



Para la luz amarilla la frecuencia resulta ser de
30.000.000.000 cm/s)/(0,000.060 cm) =
50.000.000.000.000 Hz.
Esta frecuencia es miles de millones de veces
mayor que la de las ondas acústicas.
Las cantidades muy, muy pequeñas y las muy,
muy grandes hacían su aparición en la física.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Los experimentos de Thomas Young dieron
una gran fuerza a la hipótesis ondulatoria de la
luz pero no fueron su origen.
Las ideas ondulatorias de la luz surgieron
simultáneamente con las corpusculares de
Newton, muy posiblemente inspiradas en las
ideas cartesianas de la "especie de presión"
propagadas en un medio.
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Su principal proponente fue el físico holandés,
contemporáneo de Newton, Hans Christian
Huygens, alrededor de 1670.
Sin embargo, Huygens dedicó su teoría ondulatoria
de la luz principalmente a explicar problemas de
reflexión y de refracción de la luz como los llamados
fenómenos de refracción atmosférica; por ejemplo, la
aparición de espejismos, el parpadear de las estrellas
o la aparente deformación del disco de la Luna o del
Sol cuando están cerca del horizonte.
LA ÓPTICA ONDULATORIA
Huygens explicó estos fenómenos a partir de la
hipótesis ondulatoria principal de que un punto
luminoso produce ondas esféricas y de que éstas
estimulan la vista sólo si la mirada se dirige a lo
largo del radio de las ondas esféricas que llegan al
ojo; o sea, sólo si se dirige la vista hacia el punto
luminoso.
 Esta segunda parte de la hipótesis es necesaria para
incluir la propagación rectilínea de la luz.

LA ÓPTICA ONDULATORIA

La hipótesis principal de la óptica ondulatoria es
que cada punto luminoso produce ondas esféricas.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



En muchos fenómenos las ondas cambian de
forma por distintas razones y dejan de ser
esféricas, por lo que no se puede hablar del
radio de la esfera.
Se supone entonces que la onda estimula la
vista si la mirada se dirige a lo largo de la
perpendicular a la zona de perturbación que
está en contacto con el ojo.
Esto no cambia la hipótesis principal porque si
la onda es esférica, la perpendicular y el radio
tienen la misma dirección.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Si la mirada se dirige en dirección perpendicular a las zonas
de perturbación se estimula el sentido de la vista. En las ondas
esféricas esta dirección coincide con un radio de la esfera
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Para explicar los fenómenos de refracción
atmosférica se hacen diagramas en los que las
ondas esféricas se representan mediante
círculos concéntricos centrados en el punto
luminoso que las produce.
La distancia entre círculos consecutivos
representa la longitud de onda a una cierta
escala de dibujo; por ejemplo, 1 cm podría
representar una longitud de onda de
0,000050cm.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

La separación entre las zonas esféricas y la longitud de
onda cambia de un lugar a otro si la velocidad de
propagación cambia.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Si la longitud de onda cambiara en algún
lugar representado en el diagrama, por
ejemplo, porque cambiara la velocidad de
propagación de las ondas, la distancia entre
los círculos concéntricos también se
alteraría en los puntos del diagrama
correspondientes a ese lugar.
LA ÓPTICA ONDULATORIA



Un espejismo es la reflexión aparente de cuerpos
en el suelo, como si existiera un espejo de agua.
Se observa en días muy soleados, cuando el aire
que está en contacto con la superficie terrestre
se calienta mucho más que el que está en capas
superiores.
El aire caliente de abajo se dilata y se hace
menos denso que el aire más frío de arriba.
LA ÓPTICA ONDULATORIA
LA ÓPTICA ONDULATORIA



Esto, a su vez, disminuye continuamente el índice de
refracción del aire desde las capas superiores hasta la
que está en contacto con el suelo.
La luz emitida desde un objeto hacia el suelo cambia su
dirección de propagación también continuamente y
termina recorriendo un camino curvo que la dirige
finalmente hacia arriba, como se muestra en la figura.
Un observador ve el objeto en la dirección que tiene la
luz cuando llega a su ojo; o sea, la ve en la dirección
general del suelo, como si ahí se hubiera reflejado la luz
del objeto.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Un espejismo es la reflexión aparente de cuerpos, como si
existiera un espejo de agua en el suelo. Se observan en días
muy asoleados y se deben al calentamiento de la capa de aire
en contacto con el suelo
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Si representamos las ondas
luminosas emitidas por un punto
del objeto por medio de círculos
concéntricos, la distancia entre
círculos consecutivos debe
cambiar de uno a otro porque la
velocidad de propagación de la
luz también cambia de una capa
de aire a otra.
Si la distancia entre círculos
aumenta de los superiores a los
inferiores, la dirección de la
perpendicular a los círculos, que
es la dirección de propagación de
la luz, se curva hacia arriba como
se muestra en la figura (a).
LA ÓPTICA ONDULATORIA

Pero si la distancia
entre círculos
disminuye, la
dirección de
propagación se
curva hacia abajo
como se muestra
en la figura (b).
LA ÓPTICA ONDULATORIA


Los espejismos se forman porque la dirección
de propagación se curva hacia arriba cuando el
aire se hace menos denso.
Esto demuestra, entonces, que si la luz es un
fenómeno ondulatorio su velocidad de
propagación debe ser mayor en los medios
menos densos y alcanzaría su valor máximo
cuando la densidad fuera nula; o sea, en el
vacío.
LA ÓPTICA ONDULATORIA

(a) La dirección de
propagación de la luz se
curva hacia arriba si su
velocidad aumenta en
las capas inferiores.

(b) La dirección de
propagación de la luz se
curva hacia abajo si su
velocidad disminuye en
las capas inferiores.


Esta conclusión de la teoría ondulatoria sobre la
velocidad de la luz en medios de densidades diferentes
se opone completamente a la obtenida con la hipótesis
corpuscular de Newton, la cual afirma que la
velocidad de propagación es mayor en el medio más
denso.
La controversia entre las dos teorías hubiera podido
ser dirimida midiendo la velocidad de la luz en medios
de distintas densidades, por ejemplo en aire y en agua;
pero la velocidad de la luz es tan grande que en
tiempos de Huygens y Newton no era posible hacer
esta medición mas que por métodos astronómicos y
sólo se conocía su valor en el vacío, que es
aproximadamente igual a 300.000 km/ s.



La controversia duró cerca de 150 años, hasta que los
experimentos de difracción y de interferencia hechos
por Thomas Young en 1815 dieron tanto apoyo a las
ideas ondulatorias que la medición de las velocidades
de la luz en distintos medios perdió algo de su
importancia para dirimir la controversia.
Sin embargo, en 1850 el físico francés Jean B.
Foucault pudo medir la velocidad de la luz en agua
encontrando un valor 33% menor que en aire.
La teoría corpuscular de Newton parecía estar
definitivamente muerta.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Muchos fenómenos ópticos, como la difracción y la
interferencia, pueden explicarse simplemente con la
hipótesis ondulatoria de la luz sin necesidad de
precisar la propiedad del medio que es perturbada y
se propaga en ondas.

La óptica ondulatoria sobrevivió y se desarrolló a lo
largo de casi 200 años, durante los cuales se
resolvieron muchos problemas ópticos y se
desarrollaron muchos instrumentos ópticos sin
conocer la naturaleza de las ondas; sólo se necesitaba
saber que eran ondas.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Tampoco fue necesario en muchos casos
precisar la naturaleza del medio en que se
propagan las ondas luminosas; bastaba con
suponer que existía uno capaz de propagarlas.
 Este medio fue llamado "éter".
 Sin embargo, para entender la naturaleza de la
luz se hacía necesario conocer las propiedades
del medio y determinar la que es perturbada y
se propaga ondulatoriamente.

LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Basándose en los valores ya conocidos de la velocidad, de la
longitud de onda y de la frecuencia de la luz se determinó que
el supuesto éter debía tener características muy especiales que
lo hacían diferente a cualquier otro medio conocido, como el
aire o el agua.

Por ejemplo, como se pensaba en las ondas luminosas en
analogía con las acústicas, el éter sería un medio análogo al
aire, pero como la frecuencia de las ondas luminosas es miles
de millones de veces superior a la de las ondas acústicas, el
éter debía ser miles de veces más elástico que el aire, con
propiedades parecidas al acero, para poder vibrar tan
rápidamente.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
También debía de ser transparente para dejar
pasar la luz, e infinitamente tenue para permitir
la circulación indefinida de los cuerpos
celestes.
 Todos los intentos realizados por muchos años
para demostrar la existencia del éter fueron
inútiles.
 No sorprende ahora, después de todo, que un
medio tan extraordinario no haya sido jamás
encontrado.

LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Mientras la óptica se desarrollaba
hasta alcanzar la teoría
ondulatoria y se atoraba con las
ideas del éter, otras partes de la
ciencia también crecieron.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

En particular, la ciencia de la electricidad y la del magnetismo
se habían desarrollado independientemente, desde los
fenómenos elementales descubiertos hace siglos por los
griegos, frotando con piel objetos de ámbar para producir
cargas eléctricas y moviendo objetos de hierro sin tocarlos,
con trocitos de un extraño mineral —magnetita— traído de la
región de Magnesia en el Asia Central, hasta los experimentos
del físico danés Hans Christian Oersted en 1820 y del físico
inglés Michael Faraday en 1839, que demostraban una fuerte
relación entre la electricidad y el magnetismo.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Estos experimentos probaron que las
cargas eléctricas que se generan al frotar
dos cuerpos y que atraen o rechazan a
otras cargas generadas de la misma
manera también pueden atraer o rechazar
cuerpos magnetizados, como una brújula,
aunque sólo si están en movimiento.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Es decir, que las cargas eléctricas, además
de las fuerzas eléctricas que atraen o
rechazan a otras cargas eléctricas, si se
ponen en movimiento producen también
a su alrededor fuerzas magnéticas que
mueven cuerpos magnetizados como
brújulas e imanes.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


Este descubrimiento, por lo pronto, dio origen a uno
de los inventos más importantes de la civilización
moderna —el motor eléctrico—, que consiste
esencialmente en un dispositivo para hacer circular
cargas eléctricas por un conductor de electricidad y de
un cuerpo magnetizado que es puesto en movimiento
por las fuerzas magnéticas generadas por esas cargas
móviles.
El mismo descubrimiento, insospechadamente,
también liberó a la óptica de su inútil búsqueda del
éter.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

La fuerza magnética producida por cargas
eléctricas en movimiento aparece
alrededor de las cargas, en donde antes
no había ninguna fuerza magnética, al
empezar éstas a moverse.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


Es una propiedad del medio, que cambia si
las cargas eléctricas se mueven.
La magnitud de la fuerza magnética
cambia desde el valor cero, cuando las
cargas están en reposo, hasta valores
distintos de cero, que alcanza cuando las
cargas se mueven, y que dependen de la
velocidad de las cargas.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

En otras palabras, las cargas en
movimiento perturban el medio en una
forma parecida a la forma en que la
presión y la densidad del aire son
perturbadas por la vibración de una
campana.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Se puede pensar, entonces, que la fuerza
magnética producida por el movimiento de
cargas eléctricas se propaga alrededor de
las cargas en forma análoga a como se
propagan en el aire los cambios de presión
que constituyen el sonido; es decir, por
ondas.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Si las cargas vibran cambiando la
dirección de su movimiento
continuamente, la fuerza magnética que
producen también cambia de valor y de
dirección continuamente, produciendo a
su alrededor zonas de fuerza magnética
con distintos valores y direcciones
opuestas.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


Así pues, se puede hablar de ondas de
fuerza magnética producidas por cargas
en movimiento de la misma forma en que
se habla de ondas acústicas de presión,
producidas por objetos en vibración como
campanas o bocinas.
Estas ondas se llaman ondas
electromagnéticas porque junto con la
fuerza magnética se propaga también la
fuerza eléctrica producida por las cargas.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Las cargas eléctricas
en movimiento
producen fuerzas
eléctricas y
magnéticas que se
propagan a su
alrededor a la
velocidad de la luz. La
propagación de estas
fuerzas se llama onda
electromagnética. A
ciertas frecuencias
estas ondas se
perciben como luz
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Las fuerzas eléctricas y magnéticas
producidas en cierto lugar por cargas en
movimiento no aparecen
instantáneamente en ese lugar al iniciarse
el movimiento de las cargas, sino que
toman un cierto tiempo.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


La velocidad de propagación de la fuerza
magnética es igual a la distancia entre las
cargas y el lugar, dividida entre el tiempo
que tarda en aparecer la fuerza magnética
desde que las cargas inician su
movimiento.
Desde luego, ésta es también la velocidad
de propagación de las ondas
electromagnéticas.
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


El físico escocés James Clerk Maxwell
encontró en 1865 la forma de calcular
esta velocidad y obtuvo el valor de
300.000 km/s.
¡El mismo valor de la velocidad de la luz!
LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


Esto no podía ser sólo una simple
coincidencia, y llevó a Maxwell a declarar
que tenía "fuertes razones para concluir
que la luz es una perturbación
electromagnética en forma de ondas...".
Parecía por fin que se habían encontrado
la perturbación ondulatoria que constituye
la luz, y las ideas acerca del éter fueron
sepultadas para siempre.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Las
ideas de Maxwell produjeron
otro resultado de enorme
importancia: explicaron cómo se
produce la luz.
 Ésta se produce moviendo cargas
eléctricas.
LAS FUENTES DE LA LUZ

La onda electromagnética más sencilla se
produce haciendo oscilar el sistema de cargas
más sencillo.
 Este sistema, llamado dipolo eléctrico, está
formado por dos cargas eléctricas iguales y de
signos opuestos; esto es, por una carga positiva
y otra igual pero negativa.
LAS FUENTES DE LA LUZ

Es el sistema más sencillo porque nuestro
universo es eléctricamente neutro y al
producirse una carga eléctrica de un signo
siempre se produce una carga igual del signo
opuesto.
 La figura 32 muestra, en cierto momento, las
fuerzas eléctricas que se producen alrededor de
un dipolo eléctrico oscilante.
LAS FUENTES DE LA LUZ

La longitud de las
ondas de radio es de
cientos de metros y se
producen en sistemas
de cargas eléctricas
en movimiento,
llamados antenas,
que tienen
dimensiones
comparables, de unos
100 a 200 m. .
LAS FUENTES DE LA LUZ

Estas fuerzas oscilan en cada punto a la misma
frecuencia con la que oscila el dipolo.
 Si uniéramos por una superficie los extremos
de todas las fuerzas eléctricas, las veríamos
ondular alejándose del dipolo, como las ondas
circulares generadas al perturbar la superficie
del agua tranquila.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Las
ondas de radio y de televisión
son como éstas.
 Se generan haciendo oscilar cargas
eléctricas por un conductor de cargas,
generalmente vertical, llamado
antena.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Estas
ondas difieren de las ondas de luz
solamente en la frecuencia; las de radio
tienen frecuencias entre millones y miles
de millones de hertzios (megahertzios,
MHz, a gigahertzios, GHz), y las de luz
tienen frecuencias de decenas de billones
de hertzios (tera hertzios, THz).
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Las
ondas electromagnéticas de radio
fueron producidas artificialmente por
primera vez en 1887 por el físico alemán
Heinrich Hertz, quien además midió su
velocidad de propagación y comprobó
que es igual a la de la luz; tal y como
había predicho Maxwell.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Las
ondas producidas por un cuerpo
luminoso, responsables de los fenómenos
de difracción y de interferencia, se
producen por el movimiento de las
partículas con carga eléctrica con que
están construidos los átomos y las
moléculas del cuerpo.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Debido
a que estos movimientos ocurren
en todas direcciones y no sólo en una
como sucede en una antena vertical, la
onda electromagnética producida por
cada punto luminoso es esférica y se
propaga en todas direcciones.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 La
perturbación que se propaga está
formada por las fuerzas eléctrica y
magnética producidas por las cargas
en movimiento y no requiere de un
medio material para propagarse, ya
que puede hacerlo en el espacio
vacío.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Es
difícil representar estas ondas por
un dibujo sobre un papel porque las
fuerzas eléctrica y magnética son
perpendiculares entre sí y
perpendiculares, a su vez, a la
dirección de propagación de la onda.
LAS FUENTES DE LA LUZ

La figura
muestra cómo
se verían, en
cierto instante,
las fuerzas
magnéticas de
una onda
esférica
alrededor de las
cargas que las
producen.
LAS FUENTES DE LA LUZ

La fuerza en cada punto oscila continuamente
de manera que las esferas que pasan, por
ejemplo, por los máximos de las fuerzas, se
alejan de su centro a la velocidad de
propagación de la luz.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Excepto
porque las fuerzas son
perpendiculares a la dirección de
propagación, Huygens postuló
correctamente la existencia de estas
ondas para explicar los fenomenos de
refracción de la luz, y Young para
explicar los de interferencia y de
difracción.
LAS FUENTES DE LA LUZ

Todas las ondas electromagnéticas se generan por
sistemas de cargas eléctricas en movimiento.

En general, la longitud de la onda producida es
comparable a las dimensiones del sistema de cargas;
por ejemplo, las ondas de radio tienen longitudes de
onda de más o menos 300 m y las antenas de
transmisión de radio son también de unos 100 o 200
metros de longitud.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 La
longitud de las ondas
electromagnéticas, llamadas comúnmente
"microondas", es de unos 12 cm.
 Las ondas se producen en instrumentos
electrónicos, llamados "magnetrones",
con esas dimensiones aproximadas.
LAS FUENTES DE LA LUZ

Las ondas electromagnéticas que llamamos luz
tienen una longitud de unos 0,0005 mm, lo que
indica que se generan en sistemas
microscópicos de cargas eléctricas de
dimensiones comparables.
 Estos sistemas tienen un diámetro aproximado
de 0,00001 mm y se llaman átomos, o
moléculas.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Toda
la materia está compuesta por
átomos o moléculas de distintas
especies; todos están compuestos por
cargas eléctricas y, por lo tanto, todos
son susceptibles de producir ondas
electromagnéticas.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Además
de ondas de luz, estos sistemas
pueden producir ondas de mayor
longitud, llamadas radiación infrarroja, y
ondas de menor longitud llamadas
radiación ultravioleta y rayos X, que no
pueden ser percibidas directamente por el
ojo.
LAS FUENTES DE LA LUZ

En el interior de los átomos y de las
moléculas existen además sistemas de
cargas eléctricas mucho más pequeños, unas
cien mil veces más pequeños, los llamados
núcleos atómicos que son susceptibles de
producir radiación electromagnética de
mucho menor longitud que la de la
radiación ultravioleta o que la de los rayos
X.
LAS FUENTES DE LA LUZ
 Estas
ondas electromagnéticas se
llaman rayos gamma y tampoco
pueden ser percibidos por la vista. Al
conjunto de los distintos tipos de ondas
electromagnéticas se le llama espectro
electromagnético.
LAS FUENTES DE LA LUZ

El espectro
de las ondas
electromagn
éticas y las
dimensiones
de los
sistemas de
cargas que
las
producen.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
LA TEORÍA electromagnética
la luz propuesta por Maxwell
contestó preguntas y resolvió
problemas muy importantes.
de
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Los principales fueron descubrir que la perturbación
que se propaga como ondas de luz está formada por
fuerzas eléctricas y magnéticas, y que estas
perturbaciones se producen en cargas eléctricas en
movimiento.
 Estos descubrimientos dieron origen a la radio, a la
televisión y, en general, a toda la tecnología moderna
de telecomunicaciones.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Parecía también haber establecido definitivamente
que la luz está constituida por ondas esféricas
(electromagnéticas) que se producen en cada punto de
los objetos luminosos.
 Sin embargo, en menos de unos diez años se encontró
que esto no podía ser totalmente cierto; más bien la
luz, en varios nuevos experimentos, daba muestras de
estar compuesta por gránulos o corpúsculos y no por
perturbaciones continuas como son las ondulatorias.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

El experimento más sencillo que muestra la
naturaleza granular de la luz consiste
simplemente en tomar fotografías de un objeto a
diferentes grados de exposición de la película,
desde uno muy bajo hasta el adecuado para
obtener una buena foto.
 La figura muestra el resultado de este
experimento.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

La naturaleza
corpuscular de
la luz se observa
en fotos de
objetos
iluminados muy
débilmente. La
imagen se forma
punto a punto, y
muestra que la
luz llega a la
película
fotográfica por
unidades
separadas que
los producen.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 La
exposición en la primera foto fue
10.000 veces menor que en la última;
o sea, que la cantidad de luz que
llegó a la placa fotográfica en la
primera foto fue también 10.000
veces menor que en la última.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 En
la foto de menor tiempo de
exposición, (a) y (b), se observa
claramente que la película se va
imprimiendo por puntos; como si la luz
estuviera formada por gránulos o
corpúsculos que llegan a ella
separadamente y van dejando marcas
individuales en la película.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Esto
contradice la idea de la luz como
ondas esféricas porque éstas son
continuas; su efecto en la película
también debería ser continuo; y la imagen
del objeto debería irse formando poco a
poco pero toda completa y no por puntos
individuales como se observa.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 En
las mismas fotos (a) y (b) se
puede notar que los puntos que
forman la imagen son esencialmente
iguales; simplemente hay más puntos
en las partes brillantes que en las
oscuras.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
Esto
sugiere que los supuestos
gránulos o corpúsculos de luz son
también esencialmente iguales
puesto que producen los mismos
efectos en la placa fotográfica.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Cada
una de estas unidades es indivisible. Esto
se demuestra también fácilmente con una
variante del mismo experimento.
 Se divide en dos la luz que llega a la cámara en
el experimento anterior por medio de un
semiespejo; esto es, por un espejo que refleja
la mitad y trasmite la otra mitad de la luz que
le llega.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Experimento
para observar
la división de la
luz en partes
iguales. El
semiespejo
refleja la mitad
de la luz que le
llega y
transmite la
otra mitad.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Tomando
dos fotografías
simultáneamente, una con la luz
trasmitida y otra con la luz reflejada,
se encuentra que las imágenes en
ambas fotos se integran por puntos
idénticos a los de las fotos de la
figura.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 La
única diferencia es que en este experimento
las imágenes se integran en el doble del
tiempo.
 Es decir, el semiespejo simplemente reduce a
la mitad el número de unidades indivisibles de
luz que llegan a la primera cámara y refleja la
otra mitad del número de corpúsculos a la
segunda cámara.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

La demostración más impresionante de la naturaleza
corpuscular de la luz se puede obtener ahora
simplemente advirtiendo cómo se forma la imagen de
una estrella con una cámara sobre una placa
fotográfica.
 Como en los experimentos anteriores, en la figura
siguiente se observa que la imagen de cada estrella en
la película se integra con puntos idénticos a los de
esos experimentos.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Las fotografías de las estrellas se forman también punto a punto, de la misma
manera que las de los objetos cercanos los corpúsculos de luz, o fotones, que
producen esos puntos viajan miles de años por el espacio sideral hasta llegar a la
película fotográfica.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Cada
una de las unidades indivisibles de
luz que producen estos puntos viaja miles
de años a 300.000 km/s, desde una
estrella hasta la Tierra, y produce en la
placa fotográfica una marca idéntica a la
que deja cada unidad de luz de un objeto
colocado a unos metros de la cámara.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Cada
una de las unidades indivisibles de luz
que producen estos puntos viaja miles de años
a 300.000 km/s, desde una estrella hasta la
Tierra, y produce en la placa fotográfica una
marca idéntica a la que deja cada unidad de luz
de un objeto colocado a unos metros de la
cámara.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Si
la luz que produce cada una de estas marcas
se hubiera originado en la estrella como una
onda esférica, al propagarse a través de las
enormes distancias interestelares se habría
repartido sobre una inmensa esfera en el
espacio sideral llegando a la cámara una parte
tan insignificante de ella que no podría
producir en la emulsión fotográfica un efecto
igual al que produce cada unidad de la luz
proveniente de una fuente cercana.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Sólo
mediante la propagación rectilínea de
corpúsculos de luz se puede entender este
resultado experimental.
 Esto, en buena medida, reivindica la hipótesis
corpuscular de la luz de Isaac Newton basada
en la simple observación de la propagación
rectilínea de la luz mediante el sencillo
experimento de la figura 1.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

En efecto, uno de los argumentos principales de
Newton en apoyo de la hipótesis corpuscular era que
si bien "el sonido de un cañón o de una campana
puede oírse tras de una colina que lo oculte", porque
el sonido es una perturbación ondulatoria que se
propaga a todo el medio que rodea la colina, "las
estrellas fijas dejan de verse por la interposición de un
planeta", no pudiendo propagarse su luz al otro lado
de éste "por estar compuesta de cuerpos
pequeñísimos que son emitidos por las sustancias
luminosas".
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
Los
corpúsculos de luz
manifiestan también su
existencia por sus efectos sobre
ciertos sistemas que los
producen.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Por ejemplo, los tubos luminosos que se llaman
generalmente "de gas neón", pero que también se
fabrican con otros gases, producen luz porque las
cargas eléctricas, o electrones, de la corriente que se
hace circular por ellos chocan con las moléculas del
gas que llena el tubo y agitan las cargas eléctricas que
las componen, haciendo que se muevan brevemente,
como si fueran minúsculas campanas que vibran a
determinadas frecuencias.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Cada molécula así excitada produce luz de colores
característicos durante un tiempo muy breve, de unas
milmillonésimas de segundo, después del cual regresa
a su estado original. Se observa también que el gas se
calienta durante este proceso.
 Esto, a su vez, indica que sus moléculas adquieren
velocidades mayores que las que tenían inicialmente,
porque la temperatura de un gas depende de las
velocidades de sus moléculas.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Producción de luz en una lámpara de gas. Las cargas de la
corriente eléctrica, o electrones, chocan can las moléculas del
gas y agitan las cargas eléctricas que las componen, haciendo
que se muevan momentáneamente y produzcan luz de los colores
característicos de la molécula.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Supongamos ahora que la luz se produce en ondas
esféricas y que cada átomo, al producir luz, es como un
pequeño corcho que cae sobre agua y produce una onda
circular (a).
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
Al
caer, el corcho empuja agua
en todas direcciones a su
alrededor y esto forma la onda
circular.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Debido
a que empuja en todas
direcciones el corcho permanece en
el mismo lugar en que cayó, pues de
haber empujado en un solo sentido
se habría movido en la dirección
opuesta como lo hace una lancha de
motor al empujar agua en una
dirección con la hélice.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Pero entonces no habría producido una onda circular,
sino una más o menos "dirigida" en la dirección del
empuje, parecida a la estela que forma tras de sí la
lancha de motor al avanzar (b).
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Razonando ahora inversamente, si dejáramos
caer muchos corchos sobre agua y
encontráramos que adquieren velocidades que
no tenían antes de caer concluiríamos que, de
alguna manera, cada uno de ellos habría
empujado el agua en una sola dirección,
adquiriendo, como consecuencia, una velocidad
de retroceso en la dirección opuesta.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

(a) Un corcho al caer en
agua produce una onda
circular. El corcho
permanece donde cayó
porque produce la onda
circular empujando agua
en todas direcciones
simultáneamente.
 (b) Si el corcho empujara
solamente en una
dirección, la onda
generada no sería circular,
sino que estaría dirigida
en esta dirección. Por
reacción del agua a su
empuje, el corcho
retrocedería en la
dirección opuesta.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 De
un problema análogo a éste Albert
Einstein encontró en 1917 que para dar
cuenta correctamente de la temperatura
que alcanza un gas cuando sus moléculas
emiten y absorben luz es necesario
suponer que cada emisión de luz ocurre
en una dirección precisa y no como una
onda esférica.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Cada
molécula emisora adquiere así
una velocidad de retroceso en
dirección opuesta a la de emisión;
produciendo el movimiento molecular
justamente necesario para dar cuenta
de la temperatura del gas.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 Es
decir, Einstein demostró que
no existen ondas luminosas
esféricas, sino que la luz se emite
en direcciones precisas como si
estuviera constituida por
corpúsculos que el propio
Einstein llamó fotones.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
 El
trabajo de Einstein confirmó también la
primera hipótesis de la composición
corpuscular de la radiación electromagnética.
 Esta hipótesis fue hecha en 1900 por el físico
alemán Max Planck para explicar las
longitudes de onda, es decir, los colores de la
luz emitida por cuerpos incandescentes, como
por ejemplo un lingote de hierro al rojo vivo.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Para dar cuenta exactamente de las cantidades
de luz emitidas a las longitudes de onda
observadas, Planck encontró necesario
suponer que la radiación electromagnética de
cada frecuencia está compuesta por unidades
indivisibles iguales y que cada una de ellas
contiene una energía igual a la frecuencia de la
onda multiplicada por un cierto número,
conocido desde entonces como constante de
Planck y que se representa universalmente por
la letra h.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Es decir, la energía E de cada uno de los
"paquetes", o "cuantos", de energía que
componen la onda de frecuencia n se obtiene
de la llamada "ecuación de Planck": E =hn.

Este problema de la física, conocido como el de
la "radiación del cuerpo negro", y la célebre
ecuación de Planck dieron origen a las ideas
modernas de la composición granular, o
corpuscular, de la luz.
ATRAPAR UN FOTÓN

LA COMPOSICIÓN granular de la luz,
demostrada de múltiples formas, algunas de las
cuales hemos descrito anteriormente, no puede
ser puesta en duda.

También queda demostrado por los
descubrimientos de Einstein que la luz no es
emitida por ondas esféricas.
ATRAPAR UN FOTÓN

Sin embargo, el éxito de la óptica
ondulatoria para explicar los fenómenos
de refracción, difracción e interferencia de
la luz no puede ser ignorado; así como
tampoco puede pasar inadvertida la
relación que establece la ecuación de
Planck E = hn entre las "partículas de luz",
o fotones, y alguna onda que tiene la
frecuencia n.
ATRAPAR UN FOTÓN
 El
movimiento de los corpúsculos de
luz, o fotones, debe estar asociado a
la onda electromagnética que
determina su energía y, en muchos
experimentos, determina también su
comportamiento.
ATRAPAR UN FOTÓN
¿Cómo es posible la difracción de la luz
por una ranura si la suponemos
compuesta por fotones indivisibles?
 Ya vimos que si intentamos medir el
diámetro de los fotones cerrando la ranura
hasta permitir apenas su paso,
encontramos que éstos pasan por las
ranuras más estrechas; de manera que no
es posible asignarles una dimensión
definida.

ATRAPAR UN FOTÓN
 Sin
embargo, alguna propiedad del
fotón debe estar relacionada con una
longitud puesto que éste distingue
una ranura estrecha en la que es
difractado, de una ranura ancha por
la que transita sin desviarse.
ATRAPAR UN FOTÓN

La óptica ondulatoria, por su parte,
establece que una ranura produce
difracción sólo si su anchura es
comparable con la longitud de onda de la
luz; es decir, si la anchura es, cuando
mucho, unas cuantas veces mayor que la
longitud de onda.
ATRAPAR UN FOTÓN

Esto implica que alguna propiedad del fotón
debe estar relacionada con la longitud de una
onda. La ecuación de Planck, E = hn, muestra
esta relación.
ATRAPAR UN FOTÓN


Si escribimos la frecuencia n como la velocidad
de la luz c dividida entre la longitud de onda l, la
ecuación de Planck queda escrita en la forma
E = hc/l
que relaciona una propiedad del fotón, la
energía, con la longitud de una onda.
Esta onda debe ser la onda electromagnética
que producen las cargas eléctricas en
movimiento, junto con el fotón.
ATRAPAR UN FOTÓN


Podemos intentar ahora hacernos una
representación más completa de lo que ocurre
en la producción de un fotón.
Según el resultado de Einstein, el fotón es
producido en un tiempo muy breve, como de
una milmillonésima de segundo, por la agitación
momentánea de las cargas eléctricas de una
molécula; además, es emitido a la velocidad de
la luz, pero no como una onda esférica, sino en
una dirección bien definida.
ATRAPAR UN FOTÓN
Simultáneamente las cargas producen
una onda electromagnética que se
propaga, también a la velocidad de la luz,
junto con el fotón.
 La onda puede ser esférica o no, esto
depende sólo del movimiento de las
cargas, pero su extensión es limitada.

ATRAPAR UN FOTÓN
La onda ocupa sólo la distancia que viaja
la luz durante el movimiento de las cargas.
 Por ejemplo, si el tiempo de emisión fuera
de una milmillonésima de segundo, la
extensión de la onda sería una
milmillonésima parte de los 300.000 km
que viaja la luz cada segundo; o sea, sería
de 30 cm.

ATRAPAR UN FOTÓN
 Una
onda de extensión limitada se
llama "tren de ondas" y se representa
como en la figura 40.
 Como la longitud de onda de la luz es
tan pequeña, en el tren caben
muchísimas ondas completas.
ATRAPAR UN FOTÓN

Un tren de ondas es una onda de extensión limitada.
ATRAPAR UN FOTÓN

Si la longitud de onda de la luz en el ejemplo
anterior fuera de 0,00005 cm, en el tren cabrían
30/0,00005 = 600 000 ondas completas.

La frecuencia de la onda es el número de
oscilaciones en un segundo; o sea, n =
600.000/0,000000001 = 600 billones de
hertzios. La energía del fotón emitido depende
de la frecuencia de esta onda.
ATRAPAR UN FOTÓN
 El
tren de ondas electromagnéticas es
generado con el fotón, pero no es el
fotón.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Éste
puede ser encontrado en
cualquier lugar de la región ocupada
por el tren de ondas, pero no está
repartido sobre toda esta región; si se
le encuentra en algún lugar, se le
encuentra completo.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Por
ejemplo, si el tren fuera esférico,
el fotón podría encontrarse,
completo, en cualquier parte de un
cascarón esférico de 30 cm de
espesor y con un radio que aumenta a
la velocidad de la luz.
ATRAPAR UN FOTÓN


En este cascarón se
encuentra el tren de
ondas generado por
el movimiento de las
cargas.
En otras palabras, el
tren de ondas
electromagnéticas
indica dónde puede
ser encontrado, pero
no dónde está el
fotón.
ATRAPAR UN FOTÓN

Por ejemplo, si este tren de ondas esféricas
llega a una ranura delgada, atrás de ella ya no
se propaga como una onda esférica, sino que
debido a interferencias en la onda trasmitida, se
forman zonas de interferencia destructiva,
donde la onda electromagnética se cancela por
completo, y zonas de interferencia constructiva
donde la interferencia refuerza la intensidad de
la onda.
ATRAPAR UN FOTÓN



Éstas son las zonas que se observan en la
difracción de la luz por una ranura.
Si se ilumina la ranura con luz tan débil que los
fotones pasen uno por uno por ella, cada uno de
ellos podría ser encontrado en los lugares de
interferencia constructiva, pero no podrá ser
encontrado en los lugares de interferencia
destructiva.
Esto se comprueba recibiendo los fotones en
una placa fotográfica.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Los
puntos marcados en la película
por los fotones trasmitidos caen, uno
por uno, en los lugares de
interferencia constructiva de la onda y
ningún punto cae en los lugares
donde las interferencias anulan la
intensidad de la onda trasmitida.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Más
aún, los puntos se acumulan
más rápidamente en la banda central
del patrón de difracción que en las
laterales, indicando que los fotones
prefieren llegar a los lugares donde la
onda electromagnética es más
intensa.
ATRAPAR UN FOTÓN

Un tren de ondas
electromagnéticas
esféricas producido al
generarse un fotón por
el movimiento de las
cargas en un átomo.

El fotón puede
encontrarse, completo,
en cualquier parte del
tren con igual
probabilidad.
ATRAPAR UN FOTÓN
 El
experimento de Young de la
ranura doble comprueba esta
relación del fotón con la onda
electromagnética.
ATRAPAR UN FOTÓN
El patrón de iluminación de la ranura
doble difiere del de la ranura sencilla
fundamentalmente en las imágenes
brillantes de interferencia que aparecen al
centro.
 Necesitamos ahora explicar cómo se
forman estas imágenes de interferencia
con los fotones que componen la luz que
llega a la ranura doble.

ATRAPAR UN FOTÓN
Puesto que los fotones son indivisibles,
cada fotón pasa sólo por una de ellas.
 Si la ranura por la que no pasa un fotón no
tuviera ningún efecto, todos los que pasan
por una ranura producirían un patrón de
difracción independiente del producido por
los que pasan por la otra y no habría
interferencia entre ellos.

ATRAPAR UN FOTÓN
Se observaría solamente la superposición
de dos patrones de difracción de una
ranura y las imágenes brillantes centrales
de interferencia constructiva no se
observarían.
 Las dos ranuras influyen en cada fotón
porque ambas trasmiten la onda
electromagnética asociada a cada uno de
ellos.

ATRAPAR UN FOTÓN
 Detrás
de las ranuras se producen
entonces zonas de interferencia
constructiva donde un fotón que pase
por cualquier ranura puede ser
encontrado, y zonas de interferencia
destructiva donde cualquier fotón
trasmitido no puede ser encontrado.
ATRAPAR UN FOTÓN

Cada fotón trasmitido tiene mayor
probabilidad de llegar a las zonas
centrales donde la intensidad de la onda
trasmitida es grande debido a la
interferencia constructiva, y una menor
probabilidad de llegar a las zonas
intermedias y laterales, donde la
intensidad de la onda trasmitida es
pequeña debido a la interferencia
destructiva.
ATRAPAR UN FOTÓN
Todavía se podría pensar que las
imágenes centrales observadas con la
ranura doble resultan de interacciones
directas entre los fotones que se
encuentran en tránsito por las ranuras.
 Los fotones, de alguna manera, alterarían
mutuamente sus movimientos
agrupándose en algunas regiones y
alejándose de otras.

ATRAPAR UN FOTÓN

Esta posibilidad fue eliminada en 1909 por
el físico inglés G. I. Taylor, quien realizó el
experimento de la ranura doble de Young
con fuentes luminosas
extraordinariamente débiles, de manera
que los fotones pasaban uno a uno por la
ranura doble y no existía posibilidad de
que se influyeran mutuamente en sus
movimientos.
ATRAPAR UN FOTÓN

Los fotones trasmitidos eran recibidos en la
película de una cámara fotográfica imprimiendo
cada uno un punto en el sitio de su llegada.

Acumulando puntos durante tiempos muy
largos, en ocasiones durante varias semanas,
se encontró que siempre forman las mismas
imágenes de interferencia que se observan con
fuentes de luz más intensas.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Esto
demostró que las imágenes no
pueden resultar de influencias
mutuas entre los fotones y apoya la
hipótesis de que cada fotón trasmitido
puede llegar a cualquier lugar donde
la intensidad de la onda no se anule.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Los
fotones, desde luego, llegan
con mayor probabilidad a las
zonas donde la intensidad de la
onda electromagnética trasmitida
es grande y no llegan a las zonas
donde esta intensidad se anula
por interferencias destructivas.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Para
atrapar un fotón conviene,
pues, buscarlo en las zonas de
mayor intensidad de la onda
electromagnética.
ATRAPAR UN FOTÓN

Por ejemplo, para atraparlo después de
pasar por una ranura doble, podemos
hacer un diagrama de Young de las ondas
trasmitidas por las ranuras, y localizar las
zonas donde interfieren
constructivamente; éstas son las regiones
más oscuras que se ven mirando el
diagrama en un ángulo oblicuo desde el
lado derecho hacia el izquierdo de la
figura.
ATRAPAR UN FOTÓN



Diagrama de Young para
encontrar las zonas de
interferencia constructiva de las
ondas transmitidas por dos
ranuras.
Éstas son las regiones oscuras
que se notan viendo el
diagrama oblicuamente desde
el extremo derecho hacia el
izquierdo.
Un fotón de la luz transmitida
por las ranuras puede llegar,
con gran probabilidad, a
cualquiera de esas zonas.
ATRAPAR UN FOTÓN



Un fotón trasmitido por cualquiera de
las ranuras puede ser atrapado, con
gran probabilidad, en cualquiera de
estas zonas.
No es posible, sin embargo, saber
anticipadamente en cuál será
encontrado; puede llegar a cualquiera
de ellas con la misma probabilidad.
Tampoco es posible asegurar, una vez
atrapado el fotón, por cuál de las dos
ranuras fue trasmitido; pudo ser
cualquiera de las dos con la misma
probabilidad.
ATRAPAR UN FOTÓN

Este ejemplo muestra que generalmente
no es sencillo saber dónde ocurren las
zonas de interferencia constructiva de
ondas que encuentran obstáculos porque
las ondas trasmitidas, o reflejadas, se
combinan en el espacio creando zonas de
interferencia de formas complicadas.
ATRAPAR UN FOTÓN
 El
ejemplo de la ranura doble es de
los más sencillos y requiere de trazar
un esquema a escala de la posición
de las ranuras, y muchos
semicírculos concéntricos
equidistantes que representan las
ondas trasmitidas por las ranuras.
ATRAPAR UN FOTÓN

Las zonas de interferencia constructiva de
ondas trasmitidas por dos o más ranuras
se pueden encontrar más fácilmente
trazando los juegos de semicírculos
equidistantes correspondientes a cada
ranura, en hojas de plástico transparentes
como las mostradas en la figura siguiente.
ATRAPAR UN FOTÓN



Diagrama de Young para
dos ranuras, construido
con láminas de plástico
transparente sobrepuestas
en un papel blanco.
En cada lámina se
representa la onda
esférica propagada desde
una ranura con una serie
de semicírculos
equidistantes.
Cambiando la separación
de los centros de las
láminas se observa cómo
cambian las zonas de
interferencia constructiva
de las ondas transmitidas.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Por
ejemplo, las zonas creadas por
una ranura doble se observan
sobreponiendo dos de estas hojas en
un papel blanco de manera que las
bases de los semicírculos queden
sobre una misma recta con los
centros ligeramente separados.
ATRAPAR UN FOTÓN

Las zonas de interferencia constructiva de las
ondas trasmitidas están representadas, como
antes, por las regiones oscuras que se forman
en las intersecciones de los semicírculos.

Cambiando la separación entre los centros de
los dos juegos de semicírculos se puede ver
cómo cambian las regiones de interferencia
constructiva al cambiar la distancia entre las
ranuras.
ATRAPAR UN FOTÓN
 Este
método se puede emplear
también para más de dos ranuras,
sobreponiendo más láminas; o para
ranuras que no se encuentren sobre
el mismo plano, colocando las bases
de los semicírculos sobre rectas que
formen un ángulo igual al de los
planos de las ranuras.
EL FOTÓN
 Podríamos
afirmar que "la luz está hecha
de fotones" con buenas probabilidades de
que entendamos lo mismo con la palabra
"fotones".
 A continuación resumiremos sus
principales propiedades físicas.
EL FOTÓN

El fotón es una partícula indivisible que se
mueve, siempre, a la velocidad de la luz.
 Ésta es la máxima velocidad de propagación
posible en el Universo.
 Ningún cuerpo material puede alcanzarla
porque la resistencia de la materia a ser
acelerada, su inercia, aumenta con la
velocidad, y se hace infinita a la velocidad de
la luz.
EL FOTÓN
Para
alcanzar esta velocidad sería
necesario aplicar a ese cuerpo una
fuerza de magnitud infinita, que
no hay en la naturaleza.
EL FOTÓN

El fotón se mueve a la velocidad de la luz
porque no es una partícula material; su masa es
nula.
 Esto tiene la consecuencia adicional de que su
velocidad no puede ser disminuida; esto es, los
fotones no pueden ser frenados, existen sólo en
movimiento a la velocidad de la luz.
EL FOTÓN
 Como
además nosotros no podemos
movernos a esa velocidad es
imposible detener, o alcanzar, un
fotón para examinarlo.
EL FOTÓN

No tiene siquiera sentido imaginarle un
aspecto físico; si es redondo y con costuras
como pelota de beisbol, o liso, blanco y con un
punto negro como bola de billar.
 Los puntos que aparecen en las fotos de baja
exposición no son fotones, sino las huellas que
éstos dejan al transformar en plata metálica los
cristales de sales de este metal que los
absorben.
EL FOTÓN
La posibilidad de que existieran partículas sin
masa moviéndose a la velocidad de la luz fue
anticipada por Einstein en la teoría de la
relatividad.
 Por esto se llaman "partículas relativistas".
 Existen otras partículas relativistas con
propiedades diferentes a las del fotón.
 Los neutrinos, por ejemplo, no son visibles por
el ojo humano.

EL FOTÓN
 Los
fotones son producidos por
cargas eléctricas en movimiento.
 Las cargas eléctricas producen
simultáneamente fuerzas eléctricas y
magnéticas que se propagan en el
espacio a la velocidad de la luz como
ondas electromagnéticas.
EL FOTÓN


Los fotones se mueven en direcciones
precisas, pero se les encuentra sólo en los
lugares donde ocurren las ondas de fuerzas
eléctricas y magnéticas generadas por las
cargas.
Se puede encontrar un fotón, todo completo,
en cualquier lugar donde esas fuerzas
existan; más probablemente en aquellos
lugares donde esas fuerzas son mayores.
EL FOTÓN
 Como
las fuerzas electromagnéticas se
propagan en forma de ondas, el fotón
podrá ser encontrado con mayor
probabilidad en lugares de interferencia
constructiva de estas ondas y con menor
o nula probabilidad en aquellos de
interferencia destructiva.
EL FOTÓN
 Esto,
en algunos fenómenos como la
difracción, hace que su movimiento se
confunda con el de una onda, pero el
fotón siempre se manifiesta como una
unidad indivisible y nunca en fracciones,
ni repartido sobre la región ocupada por
la onda electromagnética.
EL FOTÓN
Los
fotones se manifiestan
como partículas, ya que
concentran sus energías, sus
movimientos y sus efectos en
regiones definidas y
separadas.
EL FOTÓN
 En
una fotografía producen marcas
localizadas como si la energía de
cada fotón, que transforma los
cristales de la emulsión fotográfica
estuviera concentrada en un pequeño
paquete.
EL FOTÓN
 De
hecho, el primer paso de esta
transformación es un choque entre un
fotón y una partícula de carga eléctrica
del cristal, un electrón, que se desprende
de éste a consecuencia del impacto como
si se tratara del choque de dos canicas.
EL FOTÓN

Este fenómeno, llamado "efecto fotoeléctrico", encuentra un
gran empleo en la producción de corriente eléctrica por medio
de luz en las llamadas "celdas fotoeléctricas".
EL FOTÓN


Los fotones de un haz luminoso arrancan cargas
eléctricas de un metal —electrones— al chocar con éstos,
comunicándoles movimiento y energía como si se tratara
de colisiones entre canicas.
Este fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, es la
primera etapa del proceso fotográfico, el fotón arranca
un electrón a un cristal de la sal de plata de la emulsión
fotográfica.
EL FOTÓN

Observando las trayectorias de los electrones
que chocan con fotones se encuentra que estos
choques ocurren exactamente como si electrón y
fotón fueran dos bolas de billar; esto es, los
ángulos de las trayectorias y las energías de las
dos partículas antes y después del choque son
idénticas a las que tendrían dos bolas de billar
microscópicas con las mismas energías.
EL FOTÓN

Este fenómeno, llamado efecto Compton, es el que
mejor muestra al fotón como partícula en el sentido
de una canica o de una bola de billar.
EL FOTÓN

Las trayectorias que siguen un electrón y un fotón
que chocan son idénticas a las que seguirían dos
bolas de billar microscópicas que tuvieran sus
mismas energías. En este fenómeno, llamado efecto
Compton, la luz muestra claramente su aspecto
corpuscular.
EL FOTÓN
 Extrañas
propiedades mecánicas las
de los fotones.
EL FOTÓN
 En
algunos casos son muy
parecidos a las pelotas de beisbol
o a las bolas de billar, pero en
otros son muy diferentes.
EL FOTÓN
 Si
intentamos confinar el camino de
un fotón por medio de una ranura
delgada encontramos que los posibles
caminos que puede seguir después
de pasar por ella se multiplican y
podemos encontrarlo en muchas
partes al otro lado de la ranura.
EL FOTÓN

Esto se debe a que los fotones son creados
siempre con ondas electromagnéticas y pueden
encontrarse en cualquier lugar a donde éstas
lleguen.

Si las ondas se difractan en una ranura, cada
fotón puede llegar a cualquier parte del patrón
de difracción de las ondas.
EL FOTÓN

No existen fotones sin ondas porque la
naturaleza misma de la luz es dual; tiene
aspectos corpusculares y ondulatorios
simultáneamente y, aunque depende de lo
que se haga con la luz cuál de los dos
tipos de propiedad se hace aparente,
siempre se mostrará el otro aspecto de
alguna forma.
EL FOTÓN
Por ejemplo, para describir las colisiones
de fotones el aspecto ondulatorio se
muestra y se hace necesario al expresar la
energía del fotón, puesto que ésta
comprende inevitablemente la frecuencia
de una onda.
 Los aspectos corpusculares y ondulatorios
son, de hecho, complementarios.

EL FOTÓN
 La
teoría moderna de la luz da
precisión a esta
complementariedad al hacer los
dos aspectos inseparables en la
descripción matemática de la
radiación por cargas eléctricas.
EL FOTÓN
Las descripciones y predicciones de fenómenos
luminosos obtenidos con esta teoría se ajustan
asombrosamente bien a los hechos
experimentales, y apoyan las ideas básicas
anteriores.
 Posiblemente algún día se encuentre un
fenómeno que destruya o modifique estas ideas
sobre la luz y los fotones, pero hasta ahora han
resistido todas las pruebas.

EL FOTÓN
Es
interesante notar también
que las primeras ideas básicas
sobre la luz no fueron nunca
realmente abandonadas.
EL FOTÓN
La
propagación rectilínea fue
siempre un apoyo de la teoría
corpuscular, y la difracción lo
fue de la teoría ondulatoria.
EL FOTÓN
Las
ondas electromagnéticas
no son la luz, pero describen
correctamente su propagación
en el espacio.
EL FOTÓN
 En
cierto sentido, la distinción
entre ondas electromagnéticas y
fotones es el análogo
contemporáneo de la distinción
que, en tiempos remotos, hizo
Alhazán entre vista y luz.
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ATRAPAR UN FOTÓN