Este documento describe la naturaleza dual onda-partícula de la luz. Explica que la luz se comporta a veces como una onda electromagnética y otras veces como partículas llamadas fotones. También describe experimentos clave como la interferencia de la luz y el efecto fotoeléctrico, y cómo estos llevaron al desarrollo de las teorías ondulatoria y corpuscular de la luz. Además, explica características como la velocidad, longitud de onda y espectro electromagnético de

1. La naturaleza de la luz 1
La naturaleza de la luz
1.1 Dualidad onda-partícula.
La luz se considera una radiación electromagnética capaz de afectar el sentido de la visión.
La luz, no es fundamentalmente distinta a otras radiaciones electromagnéticas, como el
calor o las ondas de radio, la característica que la distingue de otras radiaciones es su
cantidad de energía.
La investigación sobre la naturaleza de la luz aún continúa, pero los experimentos muestran
que algunas veces se comporta como partículas y otras como ondas.
La luz como una onda
La teoría ondulatoria establece que la energía de una onda electromagnética se reparte de
igual manera entre campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares, y que
ambos campos (E y B), oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación de la
onda, como se muestra en la Figura (1.1).
La primera demostración convincente de la naturaleza ondulatoria de la luz la dio en 1801
Thomas Young, quien mostró que en condiciones apropiadas, la luz exhibía un
comportamiento de interferencia. Esto es en ciertos puntos en la vecindad de dos fuentes
luminosas, las ondas de luz se pueden combinar y cancelar entre sí debido a la interferencia
destructiva.
El suceso más importante relacionado con la teoría ondulatoria de la luz fue el trabajo de
James Clerk Maxwell, quien en 1873 demostró que la luz era una forma de onda
electromagnética de alta frecuencia. Su teoría predice que estas ondas deben tener una
rapidez aproximada de S
m
x 8
103 en el vacío. Tiempo después en 1887 Hertz confirmó
experimentalmente la teoría de Maxwell al producir y detectar ondas electromagnéticas.
Además, también mostró que las ondas electromagnéticas se reflejan, se refractan y que
poseen todas las características de las ondas.
La luz como partícula
Aunque la teoría ondulatoria permite explicar la mayor parte de las propiedades de la luz
conocidas hasta ese momento, algunos experimentos posteriores no pudieron explicarse con
la suposición de que la luz es una onda. El más sorprendente de éstos fue el efecto
Figura 1.1

2. La naturaleza de la luz 2
fotoeléctrico, también descubierto por Hertz a finales del siglo XIX. El efecto fotoeléctrico
es una emisión de electrones desde una superficie metálica expuesta a la luz. Hoy en día, se
observa la aplicación de dicho experimento en las foto celdas. Dispositivos que se utilizan
para convertir la energía radiante del Sol en energía eléctrica.
Algunos resultados que arrojó el experimento realizado por Hertz no pudieron ser
explicados por la teoría ondulatoria, lo cual trajo de cabeza a los físicos por algunos años.
La contribución de Plank- Einstein sobre la energía de la luz y de cualquier onda
electromagnética se establece en la siguiente ecuación:
λ
hc
vhE ==
donde
E è Es la energía del fotón ( )Joules
v è Es la frecuencia de la onda ( )Hz
h è Es la constante de Planck, cuyo valor es
de ( )HzJoules34
10626.6 −
×
No fue sino hasta 1905 que un físico
alemán llamado Albert Einstein dio con la
solución del problema. Einstein utilizó un
concepto desarrollado por Max Planck en
1900. Según este último, los átomos
absorben y emiten cantidades de energía
discretas denominados fotones , cada
elemento que encontremos en la
naturaleza absorberá y emitirá la energía
de esta manera, es decir, en paquetes. De
hecho esta característica de la materia
permite identificarlo en soluciones
químicas o en sistemas solares distantes.
La aportación de Einstein a la nueva teoría
de la luz fue haber supuesto que la
energía de las ondas electromagnéticas
también viaja en paquetes, llamados
cuantos o fotones. De esta manera pudo
darle explicación a todos los resultados
del experimento fotoeléctrico realizado
años atrás por Hertz. A la postre, la
contribución de Einstein a la ciencia sería
recompensada con un premio Nóbel de
física en el año de 1921.
Max Planck
Albert Einstein

3. La naturaleza de la luz 3
1.2 Características de la Luz
Las tres principales son:
1.- Propagación rectilínea (la luz viaja en línea recta).
2.-Reflexión: Cuando la luz incide sobre una superficie lisa aquella retorna al medio
original. Este comportamiento se puede observar en los espejos y superficies reflejantes,
como en el espejo cóncavo mostrado en la Figura 1.2, el cual concentra los rayos
reflejados frente a él en un punto llamado foco. Una utilidad práctica que el hombre ha
encontrado a la reflexión se puede ver en los hornos solares (Fig. 1.3), los cuales no son
sino simples superficies parabólicas reflejantes que concentran los rayos del sol en el foco,
lugar donde se coloca una olla para cocinar alimentos.
Figura 1.2 Espejo cóncavo Figura 1.3 Horno solar
3.-Refracción: La trayectoria de la luz cambia cuando sale de un medio para entrar a otro
distinto. En los ejemplos mostrados en la Figura 1.4 la luz sufre dos refracciones, una
cuando pasa del aire a la lente de cristal y otra cuando sale del cristal hacia el aire.
Figura 1.4 Lentes

4. La naturaleza de la luz 4
1.3 Velocidad de la Luz
La rapidez de la luz varía según sea el medio a través del cual se transporte. Por ejemplo, en
el agua se mueve a una rapidez aproximada de s
Km
000,225 , en un cristal puede trasladarse a
s
Km
000,180 y en el aire casi alcanza los s
Km
000,300 .
Una característica sobresaliente de la luz es que su rapidez en el vacío es un absoluto, esto
quiere decir, que no importa cuál sea la rapidez constante con la que se mueve un
observador, ante sus ojos la rapidez de la luz es siempre la misma, s
Km
000,300 . Cantidad
identificada con la letra c .
Esta característica de la luz le permitió a Einstein replantear las leyes de la mecánica
clásica, a través de su famosa teoría de la relatividad (1905). A partir de ahí conceptos
como la masa de un cuerpo, su tamaño y el tiempo que transcurre para varias personas se
convirtieron en cuestiones relativas.
1.4 El espectro electromagnético
La longitud de onda de la radiación electromagnética está relacionada con su frecuencia
por la ecuación general.
λvc = donde c es la velocidad de la luz en el vacío.
Michelson
La primera persona que hizo una medición
muy precisa de la velocidad de la luz fue
Albert A. Michelson (1852-1913) quien
determinó que la velocidad en el vacío es
s
m8
10997.2 × . En la actualidad el valor más
aceptado o preciso es de s
m8
10997925.2 × .
La luz no es la única onda
electromagnética, de hecho, se sabe
actualmente que el intervalo de
frecuencias del espectro electro-
magnético es muy grande.
La Figura 1.5 muestra tal espectro, en
ella se distinguen ocho regiones
principales que son: 1)ondas largas de
radio 2)ondas cortas de radio 3)región
infrarroja 4)la región visible 5)la región
ultravioleta 6)rayos X 7)rayos gamma y
8)fotones cósmicos.
Figura 1.5

5. La naturaleza de la luz 5
En términos de las longitudes de onda (λ), el segmento reducido del espectro
electromagnético que se refiere a la región visible está comprendido entre cm00004.0 y
cm00007.0 .
En orden de longitudes de onda ascendente, los colores espectrales (arco iris) son:
violeta( )nm450 , azul( )nm480 , verde( )nm520 , amarillo( )nm580 , naranja ( )nm600 , y
rojo( )nm640 . El espectro electromagnético es continuo, no hay separación entre una forma
de radiación y otra. Los límites establecidos son meramente arbitrarios y dependen de la
capacidad para percibir directamente una porción pequeña y para descubrir y medir dichas
porciones fuera de la región visible.
Ejercicio resuelto 1.1
Compare la energía que posee un fotón de luz roja ( )nm640=λ con la energía que tiene un
fotón de rayos gamma ( )nm4
101 −
×=λ .
Solución
Cada fotón tiene la siguiente energía.
m
s
m
Hz
Joules
hc
EROJO 9
834
10640
10310626.6
−
−
×






×





×
==
λ
Joulesx 19
10106.3 −
=
m
s
m
hz
Joules
hc
EGAMMA 13
834
101
10310626.6
−
−
×






×





×
==
λ
Joulesx 12
108987.1 −
=
2.871,399,6
10106.3
109878.1
19
12
=
×
×
= −
−
Joules
Joules
E
E
ROJO
GAMMA
Lo que significa en términos de energía, que un solo fotón de rayos gamma equivale a
871,399,6 fotones de luz roja.
Ejercicio resuelto 1.2
Calcúlese los kilómetros que separan a la Tierra de las estrellas Sirio y 61Cisne sabiendo
que se encuentran a luzaños6.8 y a luzaños2.11 respectivamente.

6. La naturaleza de la luz 6
Solución
Se sabe que un luzaño representa la distancia que recorre un fotón luminoso viajando
durante un año a través del espacio. Por tanto, el problema se resuelve de la siguiente
forma:
( )( )tiempoluzladeVeldist .=
( )( )añodist s
Km
1103 5
×=
Kmdist 12
104608.9 ×=
Cada estrella se encuentra por lo tanto alejadas de la tierra en:
( )( )KmdSIRIO
12
104608.96.8 ×=
KmdSIRIO
13
1013628.8 ×=
( )( )Kmd CISNE
12
61 104608.92.11 ×=
Kmd CISNE
14
61 100596.1 ×=
Ejercicio resuelto 1.3
Un haz luminoso de nm600=λ en el aire, penetra en un cristal reduciendo su rapidez en un
tercio ¿Qué longitud de onda λ tendrá dentro del cristal?
nm600=λ
s
m
V 8
103×=
Solución
Si se toma en cuenta que la frecuencia del haz luminoso permanece constante, el problema
puede resolverse de la siguiente manera:
λ/

7. La naturaleza de la luz 7
λ
ONDAV
v =
CRISTALAIRE vv =
/
8
9
8
3
2
103
10600
103
λ












×
=
×
×
= −
s
m
m
s
m
v è nmm 400104 7/
=×= −
λ
Tarea
1.-Un espectrofotómetro infrarrojo barre longitudes de onda desde 1 a 16 micrómetros.
Exprésese este intervalo en términos de la frecuencias de los rayos infrarrojos. Solución:
Hz10
103× a Hz10
108.1 × .
2.- Una pistola de microondas que se emplea para medir la velocidad de los automóviles
emite radiación de frecuencias Hertz9
102.1 × . Determine la longitud de la onda en
nanómetros y angstroms (A) . ( )mA 10
101 −
×= .
Solución : nm8
105.2 × , A9
105.2 × .
3.- Cuando una luz de longitud de onda de 550 nm pasa del aire a una placa de vidrio
delgada y de nuevo hacia el aire, la frecuencia permanece constante, pero la velocidad en el
vidrio se reduce a sm8
102× . Determine la longitud de la onda de la luz en el vidrio.
Solución : nm367
4.- Si la constante de Planck es zH
Joules
h 34
10626.6 −
×= encuentre el contenido de energía de
la luz amarilla ( )nm600 . Solución : Joules19
10313.3 −
× .
5.- La distancia a la que se encuentra el sol de la tierra es de 93 millones de millas,
determine el tiempo que emplea la luz en llegar a la tierra. Sol.8.33 minutos.
6.-La luz que se recibe de la estrella más cercana, Alfa Centauro, requiere 4.3 años para
llegar a la tierra. ¿A qué distancia se encuentra?. Indique la respuesta en Millas y en
Kilómetros. Solución : Millas13
1053.2 × , Km13
1005.4 × .
7.-En el experimento de Fizeau, el espejo plano se colocaba a una distancia de 8630 mts. La
rueda que él utilizó tenía 720 dientes ( )cos720huey . Cada vez que la velocidad de
rotación aumentaba en 24.2 revoluciones/seg., la luz llegaba hacia su ojo. ¿Qué valor
obtuvo para la velocidad de la luz ?
Solución : sm8
1001.3 × .
Nota: Para obtener la figura, remítase a la página 1002 del libro Física, tomo II, del autor
Serway Raymond. .

8. La naturaleza de la luz 8
Bibliografía
Serway Raymond (1994). Física . Editorial McGraw-Hill. México. Tomo II.
1002999. −Pags . Segunda edición.
Sears Francis, et al. (1996). riaUniversitaFísica . Editorial Addison Wesley Longman.
México. Tomo II. 10541053. −Pags . Novena edición.
Halliday David y Resnick Robert (1991). Física . Editorial Continental. México. Tomo II
. 398379. −Pags . Décimo primera reimpresión.