LA NATURALEZA DE LA LUZ
Este trabajo va dirigido a
reflexionar sobre
Deberías trabajarlo en Física de 2º
Bachillerato, tras haber estudiado el
Movimiento Ondulatorio y el
Electromagnetismo.
Se trata de que vayas leyendo lo que
se va presentando y que contestes a
las 10 preguntas planteadas.
No se trata de buscar y copiar, sino
de sacar a relucir los conocimientos
que ya tienes, buscar la información
que necesites, trabajarla y
posteriormente ante un folio en
blanco dirigir la mano desde tu
cabeza para ir escribiendo las
respuestas.
A lo largo de la historia se han elaborado diferentes explicaciones sobre la
naturaleza de la luz y los fenómenos de la visión.
Ya desde los antiguos griegos se encuentran dos ideas contrapuestas:
Esta controversia, permaneció hasta mediados del siglo XVII en que se
establecieron ambas teorías, CORPUSCULAR y ONDULATORIA, de forma
más elaborada y basada en hechos experimentales mejor conocidos.
Desde ese momento ambas teorías han ido alternando su vigencia.
La
teoría
ondulatoria
fue
confirmada hacia la mitad del
siglo XIX, y a finales de este siglo
MAXWELL establece que la luz
es una onda electromagnética y
logra integrar las teorías de la
electricidad, el magnetismo y la
óptica, lo que pareció que podía
terminar con el debate histórico
sobre la naturaleza de la luz.
No hubo que esperar mucho para que ese debate se reabriera.
Mientras
Hertz
trabajaba
en
el
experimento que produjo y detectó por
primera vez ondas electromagnéticas, se
observó el efecto fotoeléctrico, para cuya
explicación EINSTEIN necesitó volver al
modelo corpuscular de la luz.
Como sabes bien, para que una teoría sea aceptada en la comunidad
científica debe ser capaz de explicar los diversos fenómenos conocidos. En
este trabajo, vas a explicar algunos de estos fenómenos con ambas teorías,
o con alguna de ellas.
1-¿Cómo explicarías la existencia de luces de
diferentes colores con la teoría corpuscular?
¿Y con la ondulatoria?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
Según Newton en su teoría
corpuscular cada color se diferencia
por el tamaño de los corpúsculos y
según la teoría ondulatoria de
Huygens cada color se diferencia por
la frecuencia de la onda.
2-¿Cómo explicaría la reflexión de la luz la
teoría corpuscular? ¿Y la ondulatoria?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
La teoría corpuscular explica la reflexión por el
rebote de las partículas con la superficie de
contacto: las partículas luminosas son
perfectamente elásticas y la reflexión cumple
las leyes del choque elástico.
La teoría ondulatoria de Huygens explica la reflexión
mediante los frentes de onda: el ángulo que forma el
frente de ondas incidente con la superficie
reflectante es igual al que forma el frente de ondas
reflejado con la misma superficie.
3-¿Cómo explicaría la refracción cada teoría?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
Newton propuso que al pasar la luz
de un medio poco denso a otro más
denso aumenta su velocidad debido
a una mayor atracción.
Vx
Vy
Si pasa de aire a agua, ésta ejercería
una atracción sobre las partículas
luminosas, aumentando así la
componente normal de la velocidad
mientras que la componente tangencial
permanecía invariable.
Vx
Vyí
Cuando se midió la velocidad de la luz, se comprobó que la
velocidad iba al revés de lo supuesto por Newton.
Según la teoría ondulatoria cuando el frente de ondas
llega a la superficie de separación de dos medios con
diferente índice de refracción cambia su velocidad por lo
que el frente de ondas incidente con la superficie de
separación forma un ángulo diferente que el de ésta con
el frente de ondas refractado.
Si pasa de aire a agua el frente de ondas
cambiará de velocidad e irá más lento. A medida
que llega el frente de ondas todos sus puntos
comienzan a emitir ondas secundarias que se
propagan con menor velocidad y recorrerán un
espacio menor en el mismo tiempo. Cuando
hayan pasado todos los puntos del frente de
ondas al segundo medio, la envolvente de las
ondas secundarias será el nuevo frente de
ondas que habrá cambiado de dirección. Los
rayos se habrán “acercado” a la normal.
4-¿Cómo explicaría cada teoría la dispersión de la luz?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
La dispersión de la luz se produce cuando la luz
blanca, compuesta por luces de 7 colores, pasa
de un medio a otro.
La teoría ondulatoria lo explica así: La refracción
de la luz blanca produce una desviación diferente
a cada color debido a que la velocidad de cada
uno depende de su longitud de onda.
La teoría corpuscular no explica este fenómeno ya que no explica la refracción
como hemos visto anteriormente.
Si la luz fuera un chorro de partículas, después de atravesar una pared en
la que se han hecho dos rendijas o dos orificios, debería seguir su camino
por las zonas abiertas detrás de cada rendija.
En consecuencia, si se coloca al otro
lado de los “huecos” una pantalla se
tendrían que observar en ella dos
zonas iluminadas reproduciendo la
forma de las rendijas.
En cambio, si la luz fuera una onda y las rendijas tuvieran un tamaño igual o
inferior a la longitud de onda, se debería producir difracción en cada rendija.
Al otro lado de las rendijas se superpondrían dos
ondas secundarias, una procedente de cada
orificio. La superposición de dichas ondas debería
producir interferencias, cuyo resultado visible sería
la aparición en la pantalla de franjas iluminadas y
zonas oscuras, situándose la zona de máxima
iluminación, exactamente enfrente del punto medio
entre las dos rendijas.
5-¿Qué es lo que ocurre con la luz al atravesar dos rendijas?
Según esto ¿cuál dirías que es la naturaleza de la luz?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
Al atravesar la luz por dos rendijas se produce interferencia
de los dos haces. Por este fenómeno diríamos que la luz es
una onda ya que este fenómeno es exclusivo del movimiento
ondulatorio y no del corpuscular.
6-¿Por qué dos haces de luz pueden cruzarse “sin estorbarse”?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
Si la luz estuviera constituida por partículas sería imposible explicar
por qué cuando se juntan dos haces de luz en una zona del espacio
interfieren y posteriormente cada haz continúa su camino como si no
se hubiera encontrado con el otro.
Las partículas no podrían coincidir en el mismo punto del espacio.
7- La luz bordea obstáculos ¿Es posible explicar este hecho
con el modelo corpuscular? ¿Y con el modelo ondulatorio?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
Si la luz estuviera formada por
partículas moviéndose en línea
recta, cuando se encontraran con
un obstáculo rebotarían en él y
detrás de él no habría luz, cosa
que no ocurriría si fuera una
onda; ya sabes que éstas se
difractan.
Este fenómeno es otro de los que
hacen débil a la teoría
corpuscular.
8- Maxwell postuló que la luz era una onda electromagnética ¿en que
se diferencia esta onda del resto de ondas electromagnéticas como
las de la radio, las microondas, las ultravioletas…?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
En lo único que se diferencia es en la longitud de onda
El efecto fotoeléctrico consiste en
la emisión de electrones por un
metal cuando se ilumina con luz.
Un estudio detallado ha puesto de
manifiesto algunos hechos como
los siguientes:
Para cada metal, existe una frecuencia
luminosa por debajo de la cual, sea
cual sea la intensidad de la radiación
incidente, no se produce emisión
fotoeléctrica.
Sin embargo, al iluminar con luces de frecuencias
superiores a esa frecuencia umbral se arrancan
electrones aunque la intensidad luminosa sea
muy débil.
9-¿Cómo explicas este hecho?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
En 1905 Einstein planteó la hipótesis siguiente:
La radiación electromagnética es
discontinua, es una “distribución de
paquetes de energía”, de “cuantos de
luz”, de fotones.
Cada uno de esos fotones tiene una
energía proporcional a la frecuencia
de radiación: E = hf (h es la constante
de Plank).
10-¿Cuál es la naturaleza de la luz entonces?
Da respuesta a la pregunta antes de continuar.
Todo lo visto anteriormente obliga a aceptar que la luz es dual. Se
comporta como si estuviera constituida por ondas en fenómenos como
difracción e interferencias y como si estuviera formada por partículas en
fenómenos como el fotoeléctrico.
¿Quieres repasar lo que has trabajado hasta aquí?
Puedes ver los vídeos siguientes.
Vídeo sobre la naturaleza de la luz
https://www.youtube.com/watch?v=N384RJO6LZ4
Vídeo sobre teoría corpuscular de la luz.
Newton's corpuscular theory of light
https://www.youtube.com/watch?v=uO2uyvf-E3k
Vídeo experiencia doble ranura
https://www.youtube.com/watch?v=x53UGGB7XMI#t=82
María Dolores de Lama Alcalde
Abril 2014
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