Uploaded on

Un trabajo acerca de la luz: que es, el espectro electromagnetico, la velocidad de la luz, efecto doppler, reflexion, refraccion, dispersion, difraccion, naturaleza de la luz, luz como ondas, luz como …

Un trabajo acerca de la luz: que es, el espectro electromagnetico, la velocidad de la luz, efecto doppler, reflexion, refraccion, dispersion, difraccion, naturaleza de la luz, luz como ondas, luz como particulas, efecto fotoelectrico, efecto compton, descubrimiento del foton, fotones y ondas, laser.

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
1,134
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
29
Comments
0
Likes
1

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. 05Cecilia Calderón CervantesAranza Herrera MartínezMarieta Malo Torres TruebaMariana Martínez Urióstegui UNIVERSIDAD PANAMERICANA ESCUELA DE INGENIERÍA
  • 2. P. 3………………………………………………………………………………………………..LuzP. 4……………………………………………………...……………..Espectro ElectromagnéticoP. 5…………………………………………………………………..………….Velocidad de la luzP. 6………………………………………………………………………….……….Efecto DopplerP. 6……………………………………………………………………...………Reflexión de la LuzP. 9……………………………………………………………………………Refracción de la LuzP. 10…………………………………………………………………………..Dispersión de la LuzP. 11……………………………………………………………………….…..Difracción de la LuzP. 11…………………………………………………………………..………Naturaleza de la LuzP. 12…………………………………………………………Luz como ondas electromagnéticasP. 12……………………………………………………………………..……..Luz como partículaP. 13………………………………………………………………..…………..Efecto fotoeléctricoP. 13………………………………………………………………………………..Efecto ComptonP. 14……………………………………………………………………..Descubrimiento del fotónP. 15…………………………………………………………………….…………Fotones y ondasP. 15……………………………….…………..Experimento que muestra que la luz son ondasP. 15……………………………….……….Experimento que muestra la existencia de fotonesP. 16……………………………………………………………………………………….……LaserP.17………………………………………………………………………………….…..Bibliografía 2
  • 3. aUna radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticososcilantes que se propagan a través del espacio llevando energía de un lugar a otro.La luz es un tipo de radiación electromagnética, ésta es capaz de afectar al sentido de lavista y se distingue de otras radiaciones por su energía; sin embargo su naturaleza no esformalmente distinta.A finales del siglo XVII se propusieron dos teorías para explicar la naturaleza de la luz,una fue la teoría de las partículas (corpuscular), defendida principalmente por IsaacNewton y la otra fue la teoría ondulatoria apoyada por Christian Huygens, matemático ycientífico holandés. Con estas teorías se intentaba explicar las principales característicasde la luz; las más importantes fueron: 1. Propagación rectilínea: La luz viaja en línea recta. 2. Reflexión: cuando la luz incide en una superficie lisa, regresa a su medio original. 3. Refracción: La trayectoria de la luz cambia cuando penetra a un medio transparente.Según la teoría corpuscular, las partículas muy pequeñas se emitían por fuentesluminosas como el sol y viajaban hacia fuera en líneas rectas a gran velocidad y al entraral ojo se estimulaba la vista. También se pensaba que se producían sombras concontornos bien definidos, mientras que las ondas pueden flexionarse alrededor de losbordes a lo cual se le conoce como difracción. Hyugens en cambio dijo que si la luz erarealmente una serie de ondas con una longitud de onda corta, se produciría una sombrabien definida ya que el grado de flexión sería pequeño.El principio de Huygens establece que: “Cada punto de un frente de onda que avanzapuede considerarse una fuente de ondas secundarias llamadas pequeñas ondas. Lanueva posición del frente de onda envuelve a las pequeñas ondas emitidas desde todoslos puntos del frente de onda en su posición previa.”Cuando se descubrió la interferencia y al difracción de la luz en 1801 y 1816 se apoyó lateoría ondulatoria de Huygens.Se creía que todos los fenómenos ondulatorios requerían de un medio de transmisión; sinembargo no se conocía lo que transportaba a la luz hasta que Maxwell demostró con sutrabajo que una carda acelerada puede radiar ondas electromagnéticas en el espacio.Explico que la energía de una onda se divide en partes iguales entre los camposeléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí. De esta forma una onda de luz sepropagaría a través de campos oscilatorios transversales.H. R. Hertz confirmó la teoría de Maxwell cuando probó que la radiación de la energíaelectromagnética se puede dar en cualquier frecuencia.En 1887 A. A. Michelson, físico estadounidense, demostró que la velocidad de la luz eraconstante independientemente del movimiento de la fuente. 3
  • 4. aLa palabra espectro viene del latín y significa forma o aspecto. Newton la usó paradescribir la imagen de un arco iris que se produce cuando un haz de luz solar cruza unprisma de vidrio.El espectro electromagnético es la representación de los distintos tipos de radiaciónelectromagnética clasificadas por su frecuencia o longitud de onda.Las propiedades de estas radiaciones difieren de sus medios de producción y de lasformas en las que las observamos pero pueden ser descritas en función de los camposeléctricos y magnéticos pero se desplazan con la misma velocidad.El espectro electromagnético es contínuo, no hay separaciones entre un tipo de onda yotro.La luz es región visible del espectro más común, su fuente más cercana es el sol y suslímites de longitud de onda están entre 400namómetros1 (violeta) y 700 nm (rojo). Puedeser emitida por un conjunto de átomos disgregados, como un gas, en el cual la luz es unacaracterística de las propiedades.Las fuentes de luz visibles dependen del movimiento de electrones.Todos los objetos emiten radiación electromagnética que se le conoce radiación térmica,la del Sol es visible y se le conoce como incandescente; sin embargo también los objetosfríos pueden emitir luz y a este fenómeno se le conoce como luminiscencia. Estefenómeno se puede deber por varias causas; cuando la energía responsable de excitar alos átomos se origina en una reacción química se le conoce como quimiolumiscencia.Éste efecto puede ocurrir también en seres vivos como las luciérnagas y lleva el nombrede bioluminiscencia.El espectro electromagnético es el rango de todas las radiaciones electromagnéticasposibles; se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremode la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubrenlongitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo.Las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta yenergía alta; las ondas de frecuencia baja tienen una longitud de onda larga y energíabaja.Siempre que las ondas de luz (y otras ondas electromagnéticas) se encuentran en unmedio (materia), su longitud de onda se reduce.La radiación electromagnética se clasifica por la longitud de onda en:  Ondas de radio: Se usan para la transmisión de datos, a través de la modulación. La televisión, los teléfonos móviles, las resonancias magnéticas, o las redes inalámbricas y de radio-aficionados, son algunos usos populares de las ondas de radio.1 Se define como la millonésima parte de un metro. 4
  • 5.  Microondas: Las microondas son absorbidas por la moléculas que tienen un momento dipolar en líquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para calentar la comida.  Infrarroja: La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que 0 Kelvin  Luz visible: Este es el rango en el que el Sol y las estrellas similares a él emiten la mayor parte de su radiación  Rayos ultravioleta: Al ser muy energética, la radiación ultravioleta puede romper enlaces químicos, haciendo a las moléculas excepcionalmente reactivas o ionizándolas, lo que cambia su comportamiento.  Rayos X: Se usan generalmente para ver a través de algunos objetos, así como para la física de alta energía y la astronomía. Los rayos X pasan por la mayor parte de sustancias, y esto los hace útiles en medicina e industria  Rayos gamma: Son los fotones más energéticos, y no se conoce el límite más bajo de su longitud de onda. aSegún la teoría de Maxwell; todas las ondas electromagnéticas se desplazan con lamisma velocidad por el espacio vacío y a esto se le conoce como “velocidad de la luz”.Es la constante más utilizada en física y su determinación exacta representa una de lasmediciones más precisas que ha logrado el hombre. Su magnitud es de aproximadamente186 000 mi/s.Galileo fue de los primeros en intentar medir la velocidad de la luz en 1667.La mayoría de las fuentes de luz emiten energía electromagnética distribuída en múltipleslongitudes de onda. El flujo luminoso es la parte de la potencia radiante total emitida poruna fuente de luz que es capaz de afectar el sentido de la vista.La luz viaja Radialmente hacia fuera en líneas rectas desde una fuente que es pequeña.Para una fuente de luz de este tipo, el flujo luminos incluido en unángulo sólidopermanece igual a cualquier distancia de la fuente, es más útil hablar del flujo por unidadde ángulo sólido que solamente del flujo total. Esta relación se le conoce como intensidadluminosa. 5
  • 6. La iluminación de una superficie A se define como el flujo de luminoso F por unidad deárea. aEl efecto doppler es el fenómeno que existe por la relación entre la velocidad y la longitudde onda.Este efecto par la luz la frecuencia se percibe como "color". El azul es de más altafrecuencia que el rojo, por lo que si la fuente de ondas se acerca, su color se correhacia al azul, mientras que si se aleja lo hace hacia el rojo. Así, si el objetoestuviera emitiendo luz amarilla, al acercarse se vería verdoso, mientras que alalejarse se vería anaranjado. El efecto es más acusado cuanta mayor sea lavelocidad relativa de la fuente de luz respecto al observador. ƒ = ƒo 1 / (1 + υ/ν)En esta ecuación Ƒo es la frecuencia escuchada cuando la fuente se halla en reposoy ν es la velocidad del sonido; el cambio producido por el momento relativo es lo queconocemos como efecto Doppler.Si la fuente esta en reposo en el medio transmisor pero el observador se aleja de ella conuna velocidad υ, la frecuencia es: (υ se sustituye por ν) Ƒ = ƒ0 (1 – υ / ν ) (onda sonora, fuente fija, observador que se aleja)El efecto Doppler causa que las longitudes de onda de luz provenientes de objetos sealejen de la Tierra, se alarguen o cambien de dirección y se dirijan al extremo rojo(longitud de onda larga) des espectro visible.El efecto Doppler relativista es el cambio observado en la frecuencia de la luz procedentede una fuente en movimiento relativo con respecto al observador.La velocidad de la luz en el espacio vacío tiene el mismo valor para cualquier observadorsin importar su movimiento relativo.En este efecto hay un movimiento relativo de alejamiento que se obtiene con la siguienteformula: Ƒo = ƒs √( (1 – ν / c) / (1 + ν / c)Y la de acercamiento: Ƒo = ƒs √( (1 + ν / c) / (1 - ν / c)Otra forma de este efecto es el efecto doppler transversal que ocurre cuando ya sea lafuente o el observador se mueve de manera perpendicular a la línea que los conecta. fLa reflexión de la luz es el cambio de dirección que tienen los rayos luminosos cuandochocan con la superficie de los objetos; así, la luz que se refleja sigue expandiéndose porel mismo medio que llega.La reflexión se representa con 2 rayos, que en realidad es el mismo rayo luminosomientras se refleja: primero llega a la superficie (y es llamado rayo incidente) y el segundoes el que se ve cuando rebota y se refleja (y es llamado rayo reflejado). Si se traza unarecta perpendicular a la superficie (una recta normal) del objeto donde sucede la reflexión, 6
  • 7. se puede ver que el rayo incidente forma un ángulo con la recta, que se le llama ángulode incidencia.La reflexión siempre cumple con las siguientes características: El rayo incidente, el rayoreflejado y la normal con la que se ve en ángulo se encuentran en un plano que esperpendicular a la superficie; y el ángulo que forma el rayo incidente es igual al ánguloque forma el rayo reflejado.Observemos el siguiente ejemplo, en el cual la luz de un laser se hace rebotar sobre unespejo plano:Nótese que el rayo incidente, es decir, la luz que expulsa el laser, se encuentra sobre elmismo plano que el rayo reflejado; la normal es la línea perpendicular al plano, es decir,donde se produce el punto de incidencia de la luz e inicia la reflexión. También hay queremarcar que el ángulo de incidencia, marcado con una i, y el ángulo de reflexión,marcado con una j, (ambos medidos entre la normal y el rayo) son iguales. Con estopodemos concluir que si cumple con las características de la reflexión.Gracias a la reflexión es que en realidad podemos ver las cosas que nos rodean, ya quela luz se refleja en todos ellos y ésta llega a nuestros ojos. Pero no se da de la mismamanera en todos los objetos, ya que por ejemplo, hay objetos como los espejos o metalespulidos donde podemos reflejarnos y vernos a nosotros mismos, pero hay otros como unahoja de papel donde no podemos vernos.Hay dos leyes que influyen principalmente en la reflexión de la luz sobre los objetos. Unade ellas es la Ley de Lambert, que es un método matemático que expresa cómo lamateria absorbe luz. Ésta ley nos dice que la cantidad de luz que se refleja, estádisminuida por 3 fenómenos físicos: la concentración, o cantidad de material de absorciónen la trayectoria del rayo; la distancia de la trayectoria óptica, o distancia que la luz debeatravesar a través del objeto; y la absorbencia / coeficiente de extinción o la probabilidadde que el rayo sea absorbido por el material.Se puede calcular mediante la fórmula A = ε d c, donde A es la absorbencia, ε es elcoeficiente molar de extinción, d es la distancia y c la concentración molar.Otra de las leyes es la Ley de la Reflexión, la cual clasifica en diferentes tipos a lareflexión que se da sobre los objetos:La reflexión especular, en la que la superficie en la que se está reflejando el objeto esperfectamente lisa, y por ello los rayos que se reflejan salen en una misma dirección. Éstetipo de reflexión es como la que se vio en el ejemplo del laser. Por ejemplo, los espejos, 7
  • 8. los objetos con superficies pulidas y el agua cuando está en calma (espejos de agua).Cabe mencionar que los espejos pueden ser planos, cóncavos o convexos.La reflexión difusa, que es cuando la superficie del objeto es rugosa o granulosa, así quelos rayos no se reflejan en una dirección, sino en diferentes direcciones. Los objetos y susformas los percibimos gracias a este tipo de reflexión.A partir de estas dos reflexiones básicas se pueden hacer muchas combinaciones. Acontinuación presentaremos 3:La reflexión extendida, que tiene un componente direccional dominante que se difundepor partes gracias a las irregularidades que pueden existir en la superficie.La reflexión mixta, que es una combinación entre la reflexión especular, la reflexión difusay la reflexión extendida. En realidad, éste tipo de reflexión se da en la mayoría de losmateriales de la vida real. En la imagen se puede ver como tiene un rayo incidente, querebota hacia muchas direcciones, como en la reflexión difusa; en un mismo ángulo, comoen la reflexión especular, y a su vez en una dirección dominante, como en la reflexiónextendida. 8
  • 9. Y la reflexión esparcida, que no puede asociarse con la Ley de la Reflexión Regular ni conla Ley de Lambert, pero se puede explicar por la imagen siguiente:En la que podemos ver que tiene su rayo incidente, que primero se refleja con un mismoángulo, como en la reflexión especular; y el rayo incidente también se reflejará endistintas direcciones, como en la reflexión difusa, pero provocando un menor número derayos reflejados. Observemos el siguiente ejemplo, en el cual la luz de un laser se hacerebotar sobre un espejo plano:Nótese que el rayo incidente, es decir, la luz que expulsa el laser, se encuentra sobre elmismo plano que el rayo reflejado; la normal es la línea perpendicular al plano, es decir,donde se produce el punto de incidencia de la luz e inicia la reflexión. También hay queremarcar que el ángulo de incidencia, marcado con una i, y el ángulo de reflexión,marcado con una j, (ambos medidos entre la normal y el rayo) son iguales. fLa refracción es el cambio de dirección de los rayos luminosos. Esto sucede cuandopasan de un medio a otro y por ello viajan con diferente velocidad. Un ejemplo sería queel rayo luminoso pasara del aire al agua, donde vemos que la luz se desvía o refracta, olos lentes, que desvían la luz para que la visión se vea afectada positivamente, es decir,que podamos ver lo muy pequeño, lo muy lejano, etc.La refracción siempre cumple con las siguientes características: La normal, el rayorefractado y el rayo incidente siempre están en un mismo plano. También el rayorefractado comienza a acercarse a la normal cuando pasa de un medio en el que puedeviajar con mayor velocidad a un medio en el que puede viajar con menor velocidad. Si esal revés, el rayo refractado comienza a alejarse de la normal.Se conoce como índice de refracción a la relación entre la velocidad de la luz en el vacio(o en el aire) y el medio en el que puede viajar el rayo. Se calcula mediante la fórmulan = c / v, en donde n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v 9
  • 10. es la velocidad de la luz en el medio material que se quiere saber. A continuación sepresenta una tabla de la velocidad de la luz en distintos medios:Para entender mejor, planteemos un ejemplo. El índice de refracción del agua es den = 1.33, con lo que podemos deducir que la luz es 1.33 veces más rápida en el vacío queen el agua. Generalmente cuando la luz llega a una superficie en donde puede haberseparación, hay al mismo tiempo reflexión y refracción; un ejemplo de esto sería unaventana. Cuando estamos viendo a través de una ventana y es de día, nosotros podemosver la luz del exterior, pero al mismo tiempo podemos ver nuestro reflejo en el vidrio yaque la luz también refleja sobre nosotros. Cuando es de noche y prendemos una lámpara,la persona que esté viendo desde afuera podrá ver nuestra luz, pero al mismo tiempo quenosotros podemos ver el reflejo de la luz en el vidrio.Así como hay un índice de refracción, también hay un ángulo de refracción. Éste es elángulo con el que se desvía la luz cuando entra al diferente medio. Si la luz pasa de unmedio más rápido a uno más lento, entonces el ángulo de refracción es menor al ángulode incidencia. Si la luz pasa de un medio con mayor índice de refracción a uno con menoríndice de refracción, el ángulo de refracción será mayor que el de incidencia. Si el ángulode incidencia es mayor que el ángulo límite (que es de 24.44°) no hay refracción, sino loque se llama reflexión total.Gracias a este fenómeno de la refracción total se puede pasar luz a través de pequeñostubos de diferentes materiales, llamados fibras ópticas, que se utilizan en muchos camposde la ciencia y tecnología. Por ejemplo en la medicina para ver órganos internos sinnecesidad de cirugías complejas, o en las telecomunicaciones para transmitir audio yvideo.La refracción está dirigida por la Ley de Snell, que nos dice que el producto del índice derefracción por el seno del ángulo de incidencia es constante para cualquier rayo de luzincidiendo sobre la superficie separadora de 2 medios, y se puede calcular con la fórmulan1 sen i = n2 sen r, donde n1 es el índice de refracción del medio del que viene, i es elángulo de incidencia, n2 es el índice de refracción del medio en el que se refracta y r es elángulo de refracción. Aunque ésta ley fue formulada para explicar la refracción, se puedeaplicar en cualquier tipo de onda que atraviese una superficie de separación entre 2medios en los que su velocidad de viaje varíe. fLa dispersión es una manifestación de la refracción. Como sabemos, la luz blanca estáconformada por una mezcla de colores, y cuando un rayo de luz blanca atraviesa unmedio dispersor (por ejemplo, un prisma, como se vio en el experimento de laboratorio), 10
  • 11. entonces los colores se separarán, ya que tienen diferentes índices de refracción. Unejemplo muy claro es el de un arcoíris, en donde podemos observar los colores quecomponen a la luz blanca, y la luz se separa cuando atraviesa las gotas de agua.La causa de la dispersión es que el índice de refracción disminuye cuando aumenta lalongitud de onda, así que las ondas más largas (rojo) se desvían menos que las cortas(azul). fLa difracción es el dobléz o la dispersión de las ondas que mientras están viajando seencuentran con un objeto. Éste fenómeno se da en todo tipo de ondas, no solo en la luz.Para que suceda la difracción, el tamaño del objeto debe ser el orden de la longitud de lasondas incidentes, es decir, cuando la longitud de onda es más chica que el objeto, ladifracción puede pasar desapercibida y el objeto proyectara su sombre bien definida.Este fenómeno se lleva a cabo en base al tamaño y curvado de las ondas al atravesaruna ranura. eLa naturaleza de la luz ha sido interpretada de diversas maneras:1. Compuesta por corpúsculos que viajaban por el espacio en línea recta. (Teoría corpuscular - Newton - 1670)2. Ondas similares a las del sonido que requerían un medio para transportarse (el éter) (Teoría Ondulatoria - Huygens - 1678, Young, Fresnel)3. Ondas electromagnéticas al encontrar sus características similares a las ondas de radio (Teoría electromagnética - Maxwell - 1860)4. Como paquetes de energía llamados cuantos (Plank). 11
  • 12. Finalmente Broglie en 1924 unifica la teoría electromagnética y la de los cuantosdemostrando la doble naturaleza de la luz. eLa luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se puedenpropagar en el vacío se llaman ondas electromagnéticas.La radiación electromagnética consiste en una oscilación perpendicular de un campoeléctrico y magnético. La radiación electromagnética transporta energía de un punto aotro, esta radiación se mueve a la velocidad de la luz.Las ondas de radiación electromagnética se componen de crestas y valles. La distanciaentre dos crestas o valles se denomina longitud de onda (λ). La frecuencia de la ondaestá determinada por las veces que ella corta la línea de base en un tiempo determinado,las propiedades de la radiación dependen de ella y está dada en Hertz. La amplitud deonda esta definida por la distancia que separa el pico de la cresta o valle de la línea debase (A). La energía que transporta la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud.Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por unasuperficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan másque otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difundenpor igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muypulida, como la de un espejo.La luz visible, es decir las ondas electromagnéticas para las cuales el ojo humano estáadaptado, se encuentran entre longitudes de onda entre los 400 nm (ondas de colorvioleta) y 700 nm (ondas de color rojo). Como lo predijeron las ecuaciones de Maxwell,existen longitudes de onda por encima y por debajo de estos limites. Estas formas de "luzinvisible" se han encontrado y organizado de acuerdo a sus longitudes en el espectroelectromagnético. eLa teoría ondulatoria de Maxwell no explicaba todas las propiedades de la luz. Decía quela energía de una onda luminosa dependía solamente de su intensidad, no de sufrecuencia, pero diversos experimentos demostraron que la energía aportada por la luz alos átomos dependía sólo de su frecuencia y no de su intensidad. Por ejemplo, algunasreacciones químicas eran provocadas únicamente por luz con una frecuencia mayor queun valor determinado; si la frecuencia no alcanzaba dicho valor, la reacción no seproducía, independientemente de la intensidad que tuviera la luz.La luz se comporta como una partícula cuando interacciona con los átomos. Un átomosiempre absorbe una cantidad determinada de energía o quantum de energía luminosa.Como la interacción implica una cantidad de energía fija, la luz se comporta como unapartícula denominada fotón. Midiendo la frecuencia de los fotones los científicos pueden 12
  • 13. determinar que tipo de átomos los emitieron y si proceden de la tierra, el sol o de galaxiaslejanas. A la mayoría de los objetos los vemos por la luz que reflejan.En 1905 Einstein, basándose en el trabajo innovador de Max Planck quien estudió laradiación térmica, propuso que la luz podría realmente existir como haces discretos deenergía a los que llamó fotones. El fotón no tiene masa, tampoco posee carga eléctrica yno se desintegra espontáneamente en el vacío. eSi dejamos que una luz monocromática incida sobre una superficie metálica, loselectrones pueden ser arrojados de ella. Los electrones se emiten con unos intervalosdefinidos de velocidades.El efecto fotoeléctrico consiste en que los electrones de la superficie de algunos metalesse desprenden cuando se hace incidir la luz sobre ellos. Se descubrió que éstoselectrones tenían una energía que nunca superaba una cantidad máxima.Si se usaba un luz más intensa se producían más electrones pero no se aumentaba suenergía. Este hecho era inexplicable con la teoría de ondas ya que, según ella, si seutilizaba una luz de mayor frecuencia debería aumentar también la energía de loselectrones desprendidos.Einstein planteó que los electrones sólo absorbían un cuanto de energía, es decir unfotón, de manera que si se aumenta la frecuencia de la luz incidente se consigue que sedesprenda mayor número de electrones por unidad de tiempo, pero su energía noaumentará porque todos ellos han absorbido la misma cantidad: un fotón. eUna demostración interesante de la naturaleza corpuscular (con fotones) de la luz fueofrecida por Arthur Compton en el año 1922. 13
  • 14. El fenómeno en pocas palabras era el siguiente: cuando los rayos X incidían en lasuperficie de un cristal (mineral), salían reflejados con una longitud de onda mayor, o loque es lo mismo una frecuencia menor, dependiendo del ángulo de reflexión.Compton concluyó que este fenómeno se podía entender si se piensa en los rayos Xcomo fotones individuales, es decir como pequeñas bolas de billar que golpean contraotras (los núcleos y los electrones del elemento que compone el cristal). El cambioenergético del fotón en la colisión significa, de acuerdo al postulado de Planck, un cambioen la frecuencia (un aumento de la longitud de onda). Esta variación es fácilmentedetectable y corrobora la idea de que la energía es proporcional a la frecuencia. Según lateoría ondulatoria de la luz, no existían razones que pudieran explicar el porqué de estecambio de frecuencia en la interacción entre ciertas radiaciones electromagnéticas y lamateria (los electrones que la componen). bEn los experimentos realizados en el año 1974 y en 1986, se pudo obtener resultadosprecisos en el los cuales los fotones no se explican mediante los conceptos de ondas.El primer experimento se compuso de una fuente de luz F, que emitía un haz de luz queincidía posteriormente en un divisor (el divisor se encarga de dividir el haz en dossubhaces uno reflejado y y uno transmitido x), a continuación, los subhaces que contienenla mitad de la intensidad y contienen la energía mínima igual a la de un fotón, se reflejanen un detector D1 y D2 respectivamente y finalmente en una terminal T donde se registrala salida electrónica de los haces. 14
  • 15. Para comprobar la existencia de los fotones se tiene que cumplir lo siguiente: en una delas terminales T se tiene que recibir un pulso mientras que en el mismo instante en el otrono se tendría que recibir pulso, a esto se le llamó anticoincidencias.Este experimento no mostró resultados convincentes debido a ciertos problemas, pero enel trabajo de P. Grainger, G. Roger y A. Aspect se eliminaron las deficiencias agregandouna fuente de fotones designados y se obtuvieron los resultados de anticoincidenciasesperados. bLos resultados de los experimentos anteriores mostraron dos resultados diferentes, en loscuales ambos resultados se contradicen: en el experimento de la ranura doble se muestraque la luz es una onda y en el experimento en el que se obtienen anticoincidenciasexplica que la luz se considera como un fotón.Para explicar mejor la naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz se realiza unexperimento que relaciona las hipótesis anteriores. bLa prueba se realiza con una fuente de fotones F (como la del experimento anterior) queemite un haz que incide en un divisor V1 (la acción realizada por los fotones en el divisores que un fotón tendrá 50% de posibilidad de ser transmitido y 50% de ser reflejado),nuevamente se obtienen dos subhaces x y y, ambos haces se reflejan en los espejos E1 yE2 respectivamente. En el experimento el espejo E1 no se encuentra fijo, por lo que puedemoverse atrás y adelante. Después se recombinan como una acción resultante en elsegundo divisor V2. Los resultados obtenidos por los haces de luz en función de laposición del espejo E1 muestran unas franjas de interferencia, esto concluye que la luz esuna onda. bPara demostrar que la luz se compone de fotones, se utiliza el mismo método anterior,pero se elimina el segundo divisor V2 evitando la recombinación del haz de luz. Y los 15
  • 16. resultados obtenidos son los patrones de anticoincidencias que apoyan la existencia delos fotones.Suponiendo que la luz se compone solo de fotones o de ondas se realiza lo siguiente: sequita el divisor V2 en la trayectoria del haz antes de que el fotón llegue a este y en otrocaso se introduce el divisor. Con esto se comprueba que el divisor V 2 puede serintroducido hasta el último momento en el que fotón lo pasa y se obtendrá que la luz esuna onda. Pero también, se puede quitar el divisor V 2 hasta antes de que el fotón lo pasey se obtendrá que la luz es un fotón.En ambos casos se puede concluir que la luz no es una combinación de ambas, es decir,que no es de naturaleza exclusivamente corpuscular ni ondulatoria, en cambio, ambasnaturalezas están relacionada y dependiendo del experimento que se realice se obtendráuno u otro comportamiento. bEl laser es un ejemplo de la introducción de una disciplina llamada fotónica, la cual seencarga de la interacción entre la materia masiva y los fotones. La aplicación de losfotones para crear la luz laser, lo convierte un ejemplo perfecto para explicar el uso de losfotones.Las características de la luz laser son diferentes a las propiedades de otras fuentes deradiación electromagnética, y estas son: 1. La luz laser se considera como monocromática. La luz laser emite una sola longitud de onda de 109, a comparación de otros emisores de luz que emiten rangos diferentes y que son menores a éste. 2. La luz laser es coherente espacial. La luz laser tiene poca divergencia lo que permite ser proyectada la luz a grandes distancias. 3. Direccionalidad del laser. Impide que el haz de laser, a grandes distancias, modifique su área de incidencia. 4. Enfoque del laser. El laser alcanza una densidad de flujo de 105 W/cm2.Procesos mediante el cual existe interacción de materia y radiación:1. Absorción: en un espectro continuo de radiación un fotón se acerca al átomo de dosniveles y como resultado el fotón desaparece y el átomo pasa al nivel de mayor energía. 16
  • 17. 2. Emisión espontánea: Tras estar un tiempo, el átomo, en el nivel de mayor energía pasaal nivel de menor energía y al hacer esto desprende un fotón de energía. (La emisiónespontánea es aquella que genera la luz que proviene de una lámpara)3. Emisión estimulada: Este proceso se ocasiona al tener el átomo en el nivel superior sehace interactuar éste con un fotón ocasionando que éste baje de nivel de energía y comoresultado se obtienen dos fotones. Los fotones “estimuladores” y los “producidos” tienenenergía fase y estado de polarización igual lo que le da las características a los láseres.Entonces para la creación del laser es importante tener en cuenta que los átomos debentener una estado metaestable largo utilizando tres estados de energía (es decir que semantengan en el estado de energía 2). Como inicio, un fotón genera el fenómeno deabsorción y con una vida metaestable larga en el nivel de energía 2 se crea el fenómenode la inversión de la población y con esto se origina los fenómenos de emisión estimuladaque genera a la luz laser.En resumen el laser se refiere a un conjunto de átomos que se excitan de manera que secrea una situación de inversión de población obteniéndose radiación electromagnéticamediante emisión estimulada. 1. Tippens, Paul E. Física. Conceptos y aplicaciones. Mc Graw Hill. Sexta edición. México D.F. 2001 2. http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema5/index.htm 3. http://www.educaplus.org/luz/reflexion.html 4. http://www.educaplus.org/luz/refraccion.html 5. http://www.molwick.com/es/relatividad/139-fisica-luz.html 6. http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema5/index.htm 7. http://www.alipso.com/monografias/estructuraatomica/ 8. http://www.educaplus.org/luz/dispersion.html 9. http://almaak.tripod.com/temas/espectro.htm 10. http://www.educaplus.org/luz/lcomoparticula.html 11. Física, volumen 1 y 2. Resnick et al. Editorial CECSA. 12. http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/Laser/Laser.php 17