FsicaOptica: Naturaleza de la luz. Teora corpuscular de Newton.
Teora ondulatoria de Huygens. Teora ondulatoria de Fresnel. Teora
electromagntica de Maxwell. Naturaleza dual de la luz.La
luzNaturaleza de la luzLa ptica es una de las ramas ms antiguas de
la fsica. Comienza cuando el hombre trata de explicar el fenmeno de
la visin, considerndolo como una facultad del alma que le permite
relacionarse con el mundo exterior.- laescuela atomistasostena que
la visin se produce porque los objetos emiten imgenes que salen de
ellos y van al alma de la persona que los ve a travs de sus ojos.-
laescuela pitagricadeca que la visin se produce por un fuego
invisible que sale de los ojos, va hacia los objetos los toca y los
explora-Euclideshacia el ao 300 a.C. expone conceptos acerca del
rayo luminoso, la trayectoria que sigue la luz en su propagacin o
el fenmeno de la reflexin. Expone que el rayo luminoso es rectilneo
y lo emite el ojo humano, y afirma correctamente que el ngulo de
incidencia es igual al de la reflexin.Indicaba que la luz estaba
formada por un chorro de partculas emitidas por una fuente
luminosa: Los dems cuerpos se vean debido a que reflejaban algunos
de los corpsculos que los golpeaban y que al llegar estas partculas
al ojo producan la sensacin de ver-Hern de Alejandraen el siglo I,
estudia los espejos y afirma que el rayo luminoso siempre sigue el
camino ms corto-Tolomeoen el siglo II , realiza medidas precisas
sobre el ngulo de refraccin para el agua y el vidrio pero no
descubre la ley de la refraccin.- El mdico rabeAlhazen(905- 1039)
afirma la idea correcta de que la luz llega a los objetos
procedente de los cuerpos luminosos, los ilumina y de estos va a
los ojos. De forma errnea dice que la imagen se forma en el
cristalino ( la lente del ojo) al desconocer el papel de la
retinaLas primeras hiptesis cientficas acerca de la luz surgieron
casi simultneamente en el siglo XVII. Fueron propuestas por Isaac
Newton y por Christian Huygens Las dos hiptesis son contradictorias
entre s y se llamaronteora corpuscular de Newtonyteora ondulatoria
de Huygens.Teora corpuscular de NewtonSupone que la luz est formada
por partculas materiales, que llam corpsculos que son lanzados gran
velocidad por los cuerpos emisores de luz.Permite explicar fenmenos
como- la propagacin rectilnea de la luz en el medio, ya que los
focos luminosos emitiran minsculas partculas que se propagan en
todas direcciones y que al chocar con nuestros ojos, producen la
sensacin luminosa.- la reflexin- la refraccinFigura 10.3.a:
Explicacin corpuscular de la reflexin de la luz. En la colisin
elstica con la superficie, la componentePxdel momento lineal no
vara, mientras que la componentePycambia de signo debido a la gran
diferencia de masas. Las partculas rebotan.
Figura 10.4.a: Explicacin corpuscular de la refraccin. Esta
interpretacin conduce al resultado de que la velocidad de
propagacin de la luz debe ser mayor por el agua que por el
aire.Newton supuso que los corpsculos eran muy pequeos en
comparacin con la materia y que se propagan sin rozamiento por el
medio.Teniendo en cuenta esto, los corpsculos chocaban elsticamente
contra la superficie de separacin entre dos medios. Como la
diferencia de masas es muy grande los corpsculos rebotaban, de modo
que la componente horizontal de la cantidad de movimiento pxse
mantiene constante mientras que la componente normal pycambia de
sentido. Se cumpla la ley de la reflexin, el ngulo de incidencia y
de reflexin eran iguales.En la refraccin, al pasar la luz de
propagarse por aire a hacerlo por agua, los corpsculos atrados, por
el agua, eran acelerados al entrar en ella. Por tanto pyaumentaba y
los corpsculos variaban su direccin de propagacin acercndose a la
normal. Segn esto, la velocidad de propagacin de la luz en agua es
mayor que en el aire. ( como ya hemos visto por Huygens, ocurre lo
contrario, si v disminuye se acerca a la normal). Esto poda
permitir distinguir una y otra teora.Por ultimo tambin consideraba
que los diferentes colores que formaban la luz blanca se deben a
diferentes tipos de corpsculos, cada uno responsable de un
color.Con esta teora no podan abordarse fenmenos como la difraccin
de la luz.
Teora ondulatoria de HuygensHuygens propuso que la luz consiste
en la propagacin de una perturbacin ondulatoria del medio. Crea que
eran ondas longitudinales similares a las sonoras. Se saba que la
luz puede propagarse en el vaco. Se inventa un medio muy sutil y de
perfecta elasticidad que permita dicha propagacin. Se le llama
ter.Explicaba fcilmente fenmenos como reflexin y la
refraccin.Contra esta teora se argumentaba que si era una onda deba
haber fenmenos de difraccin e interferencia que no se haban
encontrado porque su longitud de onda es muy pequea y que el resto
lo explicaba la teora corpuscular.La teora corpuscular goz de mayor
aceptacin, fundamentalmente por ser apoyada por Newton, aunque en
el siglo XIX acabara imponindose la ondulatoriaDiferenciasLos
partidarios de la ley de Newton decan que Huygens haba inventado
una sustancia hipottica, el ter. Adems no sera posible la formacin
de sombras ntidas, ya que si la luz se asemeja al sonido debera
doblar las esquinas ( Una persona se la oye aunque no se la
vea)Huygens dudaba de las partculas que formaban cada uno de los
colores de la luz del Sol. No consideraba un gran problema la
propagacin rectilnea y pona el siguiente ejemplo: Una embarcacin
pequea no es un gran obstculo para las grandes olas del mar pero un
gran barco si detiene un pequeo oleaje produciendo zonas de
sombras. Solo haba que idear obstculos suficientemente pequeos
similares a la longitud de onda de la luz.Teora ondulatoria de
FresnelEn el siglo XVIII, Thomas Young descubre experimentalmente,
como veremos ms tarde, la existencia de interferencias en la luz y
Fresnel consigue explicar apoyndose en la teora ondulatoria la
difraccin de la luz y su propagacin rectilnea: Fresnel propone a la
vista de estos descubrimientos que la luz est constituida por ondas
transversales.En 1850, Foucault mide la velocidad de la luz en el
agua, y comprueba que es menor que en el aire, y por tanto, va en
contra de la teora corpuscular de Newton que es a partir de
entonces rechazada.Teora electromagntica de MaxwellEn 1864 Maxwell
establece la teora electromagntica de la luz. Propone que la luz no
es una onda mecnica sino una onda electromagntica de alta
frecuencia. Las ondas electromagnticas consisten en la propagacin
de un campo elctrico y magntico perpendiculares entre s y a la
direccin de propagacin. Aos despus Hertz, realiza una serie de
experimentos en los que verifica la existencia de ondas
electromagnticas y establece como detectarlas. Las ondas luminosas
solo se diferencian de las de radio en que su frecuencia, mucho
mayor impresiona la retina del ojo. Pareca que se haba aclarado la
naturaleza de la luzNaturaleza dual de la luzLos experimentos de
Hertz tambin pusieron de manifiesto un curioso fenmeno: el efecto
fotoelctrico, que consiste en la emisin de electrones con cierta
energa cintica al incidir la luz de una determinada frecuencia
sobre una superficie metlica. Se comprob que un aumento de la
intensidad luminosa incidente no supona un aumento en la energa
cintica de los electrones emitidos. La teora ondulatoria no poda
explicar esto.Einstein explica esto basndose en la hiptesis cuntica
de Planck ( en resumen venia a decir que la energa de un oscilador
atmico no puede ser cualquiera sino solo unos valores determinados,
ya lo veremos...) Einstein propone en 1905 que la luz esta formada
por un haz de pequeos corpsculos que llam cuantos de energa o
fotones. La energa de la onda est concentrada en los fotones, no
est distribuida por toda ella). Resucita as una especial teora
corpuscular. Rechaza la existencia del ter. La luz puede propagarse
en el vaco.E = hf ( h cte de Planck = 6,62610-34Js; f = frecuencia
de la luz; E = Energa de los cuantosEn la actualidad se sostiene
que la luz tiene unadoble naturaleza,corpuscularyondulatoria. Se
propaga mediante ondas electromagnticas y presenta fenmenos
tpicamente ondulatorios, pero en su interaccin con la materia en
ciertos fenmenos de intercambio de energa tiene carcter
corpuscular. Nunca manifiesta las dos condiciones simultneamente,
en un fenmeno concreto o es onda o es corpsculo.
