Luz

 

Es increíble cómo podemos estar rodeados de cosas que ni siquiera nos percatamos por cuestionarnos su existencia, la razón por la que podemos observar todo lo que nos rodea es gracias a una palabra de tres letras mucho más complejo que eso, estamos hablando de la Luz. La luz es la cantidad de energía encargada de producir el fenómeno de los colores. Algo curioso de la luz es que tiene un comportamiento dual ¿qué es el comportamiento dual?, este hace referencia a que la luz puede comportarse de dos formas según las circunstancias, algunas veces se comporta como onda (propagación de energía en el medio) y otras como partícula (cantidad mínima acumulada de materia). Cuando se comporta como la primera, decimos que pertenece al grupo de las ondas electromagnéticas, puesto que otra de las increíbles capacidades de la luz es que además de poder propagarse en medios como el agua, aire, aceite… se propaga por el VACÍO, y ¿qué es el vacío? Éste es simplemente la ausencia de partículas. Entonces, la luz tiene un comportamiento onda-partícula y cuando tiene un comportamiento ondulatorio lo hace tanto en medios como en el vacío con una rapidez constante que varía según en espacio donde se esté moviendo, la luz en el vacío equivale a 3x10⁸ m/s (lo más rápido que conoce el ser humano) y va disminuyendo hasta por ejemplo llegar a su mínimo movimiento dentro de los cristales.

Algunas de las características de la luz es que: Se propaga en línea recta y en diversas direcciones, por eso el sol alumbra a todos los planetas en nuestro sistema solar; puede provenir de una fuentes naturales o artificiales; posee un campo magnético y eléctrico y eso le da la capacidad de ser una onda electromagnética no ionizante, es decir no dañina para la salud; las diferentes formas de luz se dividen como “espectros electromagnéticos”; la luz “dispara” todos los colores hacía un objeto, pero éste solo absorbe uno y ese es el que nuestro cristalino (ojo) capta, la ausencia de color es el negro y la absorción de todos los colores es el blanco. Cuando la luz cambia de un medio a otro su frecuencia no cambia, pero su longitud de onda sí. 

Partícula:

La Luz como partícula fue propuesta por Issac Newton, ya que decía que las partículas de esta se movían en línea recta, es decía que no podían tener difracción (es una propiedad que tienen las ondas basadas en rodear un obstáculo cuando su propagación se encuentra interrumpida parcialmente). Newton explicaba que las partículas eran de colores diferentes, al igual que sus tamaños, pero que cuando pasaban por un prisma se separaban. Generalmente, se dice que la luz como partícula es cuando interactúan con la materia Una diferencia de ambas es que una partícula tiene una posición definida en el espacio, por lo tanto, cuenta con masa, en cambio, una onda se caracteriza por tener velocidad definida, masa nula, y también se extiende en el espacio.

Onda:

La luz como onda electromagnética fue propuesta al principio por Huygens quién elaboró su principio basado en que cada punto luminoso de un frente de ciertas ondas se puede considerar una nueva fuente de ondas, pero no acabó explicando de manera correcta del porqué existía propagación de luz en el vacío, ya que se consideraba antes que para que existan ondas era importante un medio material para propagarse, así que en el año 1801 Thomas Young explicó que los haces de luz pueden interferir, combinar o cancelarse entre todo gracias a la interferencia destructiva.

Young realizó este experimento en una habitación la cual estaría en completa oscuridad sin embargo colocaría dos rendijas y enfrente de ellas una fuente de luz, todo esto con el fin de demostrar quien tenía la razón si Newton o Huygens. Permitiendo ver el resultado concluyendo que en este experimento la luz viajó de forma ondulatorio que al traspasar la rendijas se vio el fenómeno de difracción permitiendo haber interferencia constructiva es decir que había espacios con luz pero también había interferencia destructiva quedan espacios de oscuridad los cuales se vieron reflejados de manera intercalada.

Las ondas, al producir diferentes direcciones, provocan un comportamiento ondulatorio,  éste al crear diferentes formas, presenta dos tipos de ondas. En primer lugar, encontramos, las ondas transversales son aquellas que van de arriba para abajo, se mueven con una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda (onda del radio, la televisión) Por otro lado,  encontramos las ondas longitudinales, están de forma paralela. La propiedad de la luz que hace que posea este doble comportamiento es la difracción, cualidad donde se refleja el momento en el que las ondas luminosas pasan a través de una abertura o por el borde de un obstáculo y estas se flexionan hacia la región que no está expuesta a la fuente de la luz.

Este experimento se "provó" en tres formas:

• Ondas: Se dispara la luz en ondas y estas chocan con las rendigas produciendoles modificaciones, dos o más ondas se superponen entre sí: Sumándose (interferencia constructiva) o restándose (interferencia destructiva), se observó una sucesión de líneas oscuras y brillantes.

• Balas:Cuando disparamos una bala podemos describir perfectamente las parábolas que trazan, es decir que poseen una trayectoria concreta. Si disparamos balas por dos rendijas, estas pasaran por las aberturas (perfectamente sin modificaciones) o simplemente nunca pasan.

• Electrónes: Disparando electrones por una lampara caliente con filamentos de tungsteno, se observa que pasan como bultos idénticos e interfieren. Por ende concluyen que, los electrones forman un patrón de interferencia (ondas) y colisionan con la pared en puntos localizados (partículas)

El experimento de Einstein consistía en disparar ondas de luz hacia una barra de metal, es allí cuando la luz se iba a comportar como partículas ya que, en el momento de interactuar con el metal, chocaba con los electrones del mismo y desprendía su energía y se los cedía a los electrones para que estos expongan la luz del metal, concluyo que la luz tiene doble comportamiento según el experimento que se le de.

Cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso (incidente) al chocar contra una superficie reflectante como por ejemplo el vidrio o los espejos. El rayo incidente, es decir el que se dispara; el reflejado, el que es producto de esta expulsión; y la normal, una línea imaginaria trazada en medio de estos dos mencionados y perpendicular a la superficie, están en un mismo plano perpendicular a la superficie. Cuando la luz se refleja en una superficie plana o estática es llamada una superficie especular o reflexión especular, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Por el contrario, cuando la superficie de rebote es rugosa, el haz de luz se dispersa y los rayos se orientan en dirección diferentes, ésta es una reflexión difusa. 

Fenómeno que representa el cambio de dirección de la luz cuando ésta atraviesa una superficie que divide dos medios diferentes, como por ejemplo el aire y el agua. El ángulo incidente penetra en la superficie y se convierte en un ángulo refractado que no tendrá la misma dirección ni rapidez. Algo curioso de este fenómeno es que, la refracción va acompañada de la reflexión, por ende los rayos producto no tendrán la misma intensidad que el rayo de origen insidente. 

Este es un número expresado con la letra “n” que representa la relación que tiene la rapidez de la luz en el vacío y la rapidez de la luz en el medio que se está estudiando, mientras mayor sea el índice de refracción de un material, menor será la rapidez de onda dentro de ese material. 

    

 Los senos de los ángulos de incidencia y de refracción son directamente proporcionales a las rapideces de propagación de la luz en los medios respectivos. Es decir, cualquier rayo de luz que incide sobre la superficie de que separa a los dos medios como por ejemplo el agua, su índice de refracción multiplicado por el seno del ángulo de incidencia con respecto a la normal será constante. Con otras palabras, la componente del índice de refracción paralela a la superficie es constante.

Una partícula cuántica es una onda de probabilidad, no podemos saber con certeza en qué estado y dónde se encuentra hasta que interactuamos con ella, una característica muy interesante de ellas es que pueden aparecer, desaparecer, estar en varios lugares al mismo tiempo, comunicarse de forma instantánea, viajar adelante y atrás en el tiempo; por ende, las partículas como ondas, no tiene una trayectoria concreta, no son localizables.

Todo este concepto se lo puede relacionar con el:

Werner Heisenberg explica que cada partícula está asociada con una onda, este simple hecho impone restricciones en la capacidad para determinar al mismo tiempo su posición y su velocidad. Por más tecnología que el humano pueda tener para estudiar estás partículas, la naturaleza siempre impone un límite al conocimiento por más esfuerzos que hagamos. Todo esto lo comprobó el científico alemán Heisenberg con su experimento del mental del microscopio para determinar la posición de un electrón se utiliza un fotón de: Baja energía (No nos puede dar mucha información sobre el momento del electrón.) y Alta energía (Perturbaremos mucho el electrón y lo desplazamos de su sitio) pero ambos demostraban que es imposible conocer la posición y el momento de un electrón al mismo tiempo.

La premisa de este descubrimiento se da por el experimento de la lámina de oro, cuya historia se resumía en que tres científicos llamados Rutherford, Geiger y Marsden bombardearon láminas de oro con partículas alfa, allí observaron que la mayoría de las partículas alfa no fueron desviadas, pero algunas otro rebotaron en la lámina de oro en ángulos muy grandes. Concluyeron que la mayor parte del átomo es un espacio vacío, cuya distribución se basa en que todas las cargas positivas y la mayor parte de la masa del átomo deben concentrarse en el núcleo. El revolucionario modelo nuclar habla de que:

• Los protones y neutrones, (ocupan casi toda la masa del átomo) están en el núcleo.
• Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo "nube electrónica" (mayor parte del volumen del átomo).

Volviendo al punto pasado del experimento donde se observaba el comportamiento ondulatorio del electrón, otro científicos se interesaron por las propiedades y características de este elemento atómico, el experimento Davisson-Germer define que la difracción es cuando las ondas luminosas pasan a través de un obstáculo y estas se flexionan, cambiando de dirección, llegaron a esta conclusión gracias a que los electrones fueron dispatados por un cañón de electrones de alta potencia, chocando así con una barra de metal de niquel y así los físicos pudieran observar su patrón de interferencia resultante, se dieron cuenta que el haz formaba ángulos de dispersión de los electrones y éstos eran diferentes a los anteriores. Tenían distintos picos de intensidad, y éstos mismos demostraban el comportamiento de onda de los electrones, recordando que el electrón llega a reflejarse más no se dispersa.