La luz es la porción del espectro electromagnético visible porel ojo humano, pero también puede incluir otras formas de radiación electromagnética. La luz visible es aquella porción del espectro electromagnético con longitudes de ola entre aproximadamente 400 nm y 800 nm (al aire).
Las tres características básicas de la luz son la brillantez (o amplitud ), el color (o frecuencia ) y la polarización (o ángulo de vibración). Debido a la dualidad ola-partícula, la luz presenta propiedades tanto de olas como de partículas.
Mesa de contenidos
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Las diferentes longitudes de ola se interpretan al cerebro humano como colores, desde el rojo a las longitudes de ola más granos (frecuencias más bajas) hasta el violeta (frecuencias más altas). Las frecuencias crecientes se pueden ver como naranja, amarillo, verde, moratón, y, convencionalmente, moratón indio:
| Color | Intervalo de longitud de ola | Intervalo de frecuencia | ||
|---|---|---|---|---|
| violado | 380 a 430 nm | 790 a 700 THz | ||
| moratón | 430 a 500 nm | 700 a 600 THz | ||
| cian | 500 a 520 nm | 600 a 580 THz | ||
| verde | 520 a 565 nm | 580 a 530 THz | ||
| amarillo | 565 a 590 nm | 530 a 510 THz | ||
| naranja | 590 a 625 nm | 510 a 480 THz | ||
| rojo | 625 a 740 nm | 480 a 405 THz | ||
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Espectro continuo | ||||
La frecuencia f y la longitud de ola λ siguen la relación:
dónde λ es la longitud de ola, f la frecuencia , y v la velocidad de la luz. Si la luz viaja en el vacío, entonces v = c, y así:
Toda la luz se propaga a una velocidad finita. Incluso los observadores en movimiento uniforme miden siempre el mismo valor de c , la velocidad de la luz en el vacío, como c = 299.792.458 m/s; de todas maneras, cuando la luz pasa a través de un medio transparente como aire, agua o vidrio , su velocidad se reduce, y sufre refracción.
Cuando un haz de luz pasa la frontera entre el vacío y otro medio, o entre dos medios diferentes, la longitud de ola de la luz cambia mientras que la frecuencia permanece constando. Si el haz de luz no es ortogonal en la frontera, la variación a la longitud de ola provocará un cambio de la dirección del fajo. Este cambio de dirección es el que se denomina refracción.
El cambio de dirección es más grande, cuanto mayor es el cambio de rapidez, puesto que la luz prefiere recorrer las grandes distancias en su desplazamiento por el medio que vaya más rápido. La ley de Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de rapidez por medio de los índices de refracción de los medios.
Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromàtica a través de un medio no paralelo, como un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado dispersión refractiva. Si el medio es paralelo, la luz se vuelve a recomponer al salir.
Ejemplos muy comunes de la refracción son la ruptura aparente que se ve en un lápiz a introducirlo en agua o el arco iris.
El estudio de la luz y su interacción con la materia se denomina óptica. La observación y estudio de fenomens ópticos como los arcos iris ofrece información sobre la natura de la luz, además de recreación.
La luz presenta una naturaleza compleja: depende de cómo se observe se manifestará como una ola o como una partícula. Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios (veáis Dualidad ola-partícula). Aun así, para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza, se puede clasificar los diferentes fenómenos en los cuales participa según su interpretación teórica:
Esta teoría considera que la luz es una ola electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, puesto que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De este modo, la ola se autopropaga indefinidamente a través del espacio, en campos magnéticos y eléctricos generando continuamente. Estas olas electromagnéticas son sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación
.
Para poder describir una ola electromagnética se pueden utilizar los parámetros habituales de cualquier ola:
La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de ola están relacionadas por las siguientes ecuaciones:
Algunos de los fenómenos más importantes de la luz se pueden comprender fácilmente si se consideran que tienen un comportamiento ondulatorio.
El principio de superposición de olas permite explicar el fenómeno de la interferencia: si se juntan en el mismo lugar dos olas con la misma longitud de ola y amplitud, si están en fase (las crestas de las olas coinciden), formarán una interferencia constructiva y la intensidad de la ola resultante será máxima e igual a dos veces la amplitud de las olas que la conforman. Si están desfasadas, habrá un punto donde el desfase será máximo (la cresta de la ola coincida exactamente con un valle) formando una interferencia destructiva, anulando la ola. El experimento de Young, con sus rendijas, permite obtener dos focos de luz de la misma longitud de ola y amplitud, creando un patrón de interferencias sobre una pantalla.
Las olas cambian su dirección de propagación al cruzar un obstáculo puntiagudo o al pasar por una apertura estrechada. Cómo recoge el principio de Huygens, cada punto de una frente de olas es un emisor de una nueva frente de olas que se propagan en todas las direcciones. La suma de todos los nuevas frentes de olas hacen que la perturbación se siga propagando en la dirección original. Aun así, si por medio de una rendija o de un obstáculo puntiagudo, se separa uno o unos pocos de los nuevos emisores de olas, predominará la nueva dirección de propagación frente al original.
La difracción de la luz se explica fácilmente si se tiene en cuenta este efecto exclusivo de las olas. La refracción , también se puede explicar utilizando este principio, teniendo en cuenta que las nuevas frentes de ola generadas en el nuevo medio, no se transmitirán con la misma velocidad que en el anterior medio, generando una distorsión en la dirección de propagación:
Otro fenómeno de la luz fácilmente identificable con su naturaleza ondulatoria es la polarización . La luz no polarizada está compuesta por olas que vibran en todos los ángulos, al llegar a un mediano polarizador, sólo las olas que vibran en un ángulo determinado consiguen atravesar el medio, al poner otro polarizador a continuación, si el ángulo que deja pasar el medio coincide con el ángulo de vibración de la ola, la luz pasará íntegra, si no sólo una parte pasará hasta llegar a un ángulo de 90 ° entre los dos polarizadores, donde no pasará nada de luz.
Este efecto, además, permite demostrar el carácter transversal de la luz (sus olas vibran en dirección perpendicular a la dirección de propagación).
El efecto Faraday y el cálculo de la velocidad de la luz, c, a partir de constantes eléctricas (permitivitat,
) y magnéticas (permeabilidad, μ0) por parte de la teoría de Maxwell:
confirman que las olas de las cuales está compuesta la luz son de naturaleza electromagnética. Esta teoría fue capaz, también, de eliminar la principal objeción a la teoría ondulatoria de la luz, que era encontrar la manera de que las olas se trasladaran sin un medio material.
La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratara de un torrente de partículas sin carga y sin demasiado llamados fotones, capaces de traer todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación resurgeix debido al hecho que , la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía sólo en cantidades discretas (múltiples de un valor mínimo) de energía denominadas cuántos. Este hecho es difícil de combinar con la idea que la energía de la luz se emite en forma de olas, pero es fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.
Existen tres efectos que demuestran el carácter corpuscular de la luz. Según el orden histórico, el primer efecto que no se pudo explicar por la concepción ondulatoria de la luz fue la radiación del cuerpo negro.
Un cuerpo negro es un radiador teóricamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en ella y por eso, cuando se calienta se convierte en un emisor ideal de radiación térmica, que permite estudiar con claridad el proceso de intercambio de energía entre radiación y materia. La distribución de frecuencias observadas de la radiación emitida por la caja a una temperatura de la cavidad dada, no se correspondía con las predicciones teóricas de la física clásica. Para poder explicarlo, Max Planck, a comienzos del siglo XX, postuló que para ser descrita correctamente, se tenía que asumir que la luz de frecuencia ν es absorbida por múltiplos enteros de un cuánto de energía igual a hν, donde h es una constante física universal llamada Constante de Planck.
El 1905, Albert Einstein utilizó la teoría cuántica rezan desarrollada por Planck para explicar otro fenómeno no comprendido por la física clásica: el efecto fotoeléctrico. Este efecto consiste en qué cuando un rayo monocromática de radiación electromagnética ilumina la superficie de un sólido (y, a veces, la de un líquido), se desprenden electrones en un fenómeno conocido como fotoemissió o efecto fotoeléctrico externo. Estos electrones tienen una energía cinética que puede ser mide electrónicamente con un colector con carga negativa conectado a la superficie emisora. No se podía entender que la emisión de los llamados "fotoelectrons" fuera inmediata e independiente de la intensidad del rayo. Eran incluso capaces de salir despedidos con intensidades extremadamente bajas, el que excluía la posibilidad que la superficie acumulada de alguna manera la energía suficiente para disparar los electrones. Además, el número de electrones era proporcional a la intensidad del rayo incidente. Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico podía ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba formada de fotones de energía hν, parte de esta energía hν0 se utilizaba para romper las fuerzas que unían el electrón con la materia, el resto de la energía aparecía como la energía cinética de los electrones meses:
dónde m es la demasiada del electrón, Vmax la velocidad máxima observada, ν es la frecuencia de la luz iluminando y ν0 es la frecuencia umbral característica del sólido emisor.
La demostración final fue aportada por Arthur Compton que observó como al hacer incidir rayos X sobre elementos ligeros, estos se dispersan con menos energía y más se desprendían electrones (fenómeno posteriormente denominado en su honor como efecto Compton). Compton, ayudándose de las teorías anteriores, le dio una explicación satisfactoria al problema tratando la luz como partículas que chocan elásticamente con los electrones como dos bolas de billar. El fotón, corpúsculo de luz, golpea el electrón: el electrón sale disparado con una parte de la energía del fotón y el fotón refleja su menor energía en su frecuencia. Las direcciones relativas a las que salen despedidos ambos están de acuerdo con los cálculos que utilizan la conservación de la energía y el momento.
entre un positrón y un electrón.La necesidad de reconciliar las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético, que describen el carácter ondulatorio electromagnético de la luz, con la naturaleza corpuscular de los fotones, ha hecho que aparezcan varias teorías que están todavía lejos de dar un tratamiento unificado satisfactorio. Estas teorías incorporan por un lado, la teoría de la electrodinámica cuántica, desarrollada a partir de los artículos de Dirac, Jordan, Heisenberg y Pauli , y por otro lado la mecánica cuántica de De Broglie, Heisenberg y Schrödinger .
Paul Dirac dio el primer paso con su ecuación de olas que aportó una síntesis de las teorías ondulatoria y corpuscular, puesto que siendo una ecuación de olas electromagnéticas suya solución requería olas cuantificadas, es decir, partículas. Su ecuación consistía a reescribir las ecuaciones de Maxwell de tal manera que se asemeja a las ecuaciones hamiltonians de la mecánica clásica. A continuación, utilizando el mismo formalismo que, a través de la introducción del que hace de acción hν, transforma las ecuaciones de mecánica clásica en ecuaciones de mecánica ondulatoria, Dirac obtuvo una nueva ecuación del campo electromagnético. Las soluciones a esta ecuación requerían olas cuantificadas, sujetas a primeros de incertidumbre de Heisenberg, la superposición representaban el campo electromagnético. Gracias a esta ecuación se puede conocer una descripción de la probabilidad que pase una interacción u observación dada, en una región determinada.
Todavía hay muchas dificultades teóricas sin resolver, pero, la incorporación de nuevas teorías procedentes de la experimentación con partículas elementales, así como de teorías sobre el comportamiento de los núcleos atómicos, nos han permitido obtener una formulación adicional de gran ayuda.
Aun así, había todavía algunas situaciones en las que la luz no se comportaba según se esperaba por las teorías anteriores.
La primera de estas situaciones inexplicables se producía cuando la luz se emitía, se transmitía o se recibía por cuerpos o medios en movimiento. Era de esperar, según la física clásica, que la velocidad en estos casos fuera el resultado de sumar a la velocidad de la luz, la velocidad del cuerpo o del medio. Aun así, se encontraron varios casos en que no era así:
El 1818, Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad a la cual la luz atravesaba un líquido en movimiento. Para lo cual, se haría atravesar a la luz una columna de un líquido que fluyese a una velocidad v relativa al observador. Conociendo la velocidad v' a la cual se transmite la luz a través de este medio (a través del índice de refracción), se calculó que la velocidad total de la luz en este fluido sería:
Aun así, cuando el 1851, el físico francés Hippolyte Fizeau llevó a cabo el experimento, comprobó que la velocidad a la cual la luz atravesaba el líquido en movimiento no era la calculada sino:
Es decir, que la velocidad del fluido contaba menos a la velocidad final si la velocidad con la que atravesaba la luz este fluido era mayor.
El 1725, James Bradley descubrió que la posición observada de las estrellas en el firmamento variaba anualmente respecto a la posición real en un intervalo de 41 segundos del arco. La teoría que propuso para explicar fue que esta variación se debía de a la combinación de la velocidad de la tierra al girar alrededor del sol con la velocidad finita de la luz. Gracias a esta teoría fue capaz de calcular la velocidad de la luz de una forma aceptable. Basándose en este efecto, el astrónomo inglés George Airy comparar el ángulo de aberración en un telescopio antes y después de llenar de agua, y descubrió que, en contra de sus expectativas, no había diferencias en sus medidas (la luz no variaba de velocidad a a pesar de que el fluido se mueva a la velocidad de la tierra).
Teniendo en cuenta este experimento, dos astrónomos, el alemán Albert Michelson y el norteamericano Edward Morley propusieron un experimento (veáis Experimento de Michelson y Morley) para medir la velocidad a la cual fluía el éter respecto a la tierra. Suponían que el éter se movía en una dirección concreta con una velocidad determinada, por eso, debido a la traslación de la Tierra alrededor del Solo habría épocas de en el año en que tendríamos una componente de esta velocidad a favor y otras épocas en contra, por el que supusieron que cuando lo tuviéramos a favor, la velocidad de la luz sería superior y cuando lo tuviéramos en contra sería inferior. Para lo cual midieron la velocidad de la luz en diferentes estaciones de en el año y observaron que no había ninguna diferencia. Y el más curioso: que ni siquiera había diferencias debidas a la misma velocidad de traslación de la Tierra (30 km/s).
En 1905, Albert Einstein dio una explicación satisfactoria con su teoría de la relatividad especial, en la cual, en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isotropía, es decir, independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente.
Al comparar el espectro de la luz procedente de algunos cuerpos celestes, con los espectros medidos en el laboratorio de los mismos elementos que los que contienen estos cuerpos, se observa que no son iguales, puesto que las líneas espectrales procedentes del espacio están desplazadas hacia posiciones de mayor longitud de ola, es decir, hacia el lado rojo del espectro en lugares de menor energía.
Se han encontrado dos tipos diferentes de desplazamientos de líneas espectrales:
Uno, el más común, llamado desplazamiento nebular es un desplazamiento sistemático de los espectros procedentes de las estrellas y galaxias . Edwin Hubble después de estudiar el corrimiento de los espectros de las nebulosas, lo interpretó como el resultado del efecto Doppler debido a la expansión continua del universo. Gracias a esto propuso una fórmula capaz de calcular la distancia que nos separa de un cuerpo determinado analizando el corrimiento de su espectro:
dónde Δλ es la diferencia entre las longitudes de ola del espectro del cuerpo y la esperada, λ es la longitud de ola esperada y d , la distancia en parsecs.
El otro, mucho más extraño se denomina desplazamiento gravitacional o efecto Einstein, observado en espectros de cuerpos extremadamente densos. El ejemplo más famoso es el espectro del llamado compañero oscuro de Sírius . La existencia de este compañero fue predicha por Friedrich Bessel el 1844 basándose en una perturbación que observó en el movimiento de Sírius, pero debido a su débil luminosidad, no fue descubierto hasta 1861. Este compañero es una enana blanca que tiene una demasiada comparable a la del Solo pero en un radio aproximadamente cien veces menor, por lo cual su densidad es inmensa (61.000 veces la del agua). Al estudiar su espectro, se observa un desplazamiento de 0,3 Å de la línea β de la serie Balmes el hidrógeno.
Porque su anterior teoría de la relatividad especial alcanza también los fenómenos gravitatorios, Albert Einstein, entre 1907 y 1915 desarrolló la teoría de la relatividad general. Una de las principales conclusiones de esta teoría es que la propagación de la luz está influenciada por la gravedad, representada en la teoría por el potencial gravitatorio Φ, descrito por
dónde G es la Constante de gravitación universal, M la demasiada y R el radio del cuerpo
Einstein encontró que la luz, al pasar por un campo gravitatorio de potencial Φ sufría una disminución de su velocidad, según la fórmula:
dónde c0 es la velocidad de la luz sin campo gravitatorio y c es la velocidad con él.
También se ve modificada la frecuencia de la luz emitida por una fuente en un campo gravitatorio
el que explica el desplazamiento gravitacional. Otro ejemplo que confirma experimentalmente este punto de la teoría son las líneas espectrales del solo, que están desplazadas hacia el rojo dos millonésimas veces cuando sea comparan con las generadas por los mismos elementos en la Tierra.
Finalmente, en esta relación entre luz y gravedad, esta teoría predijo que los rayos de luz al pasar cerca de un cuerpo pesando se desviaba un ángulo α determinado por el efecto de su campo gravitatorio, según la relación:
Este punto de la teoría fue confirmado experimentalmente estudiando el desvío de la luz que provocaba el Solo, por eso los científicos estudiaron la posición de las estrellas del área alrededor del solo aprovechando uno eclipse el 1931. Se vio que, como predecía la teoría, estaban desviadas hasta 2,2 segundos de arco comparadas con fotografías de la misma área 6 meses antes.
Al formular su ecuación de olas por un electrón libre, Paul Dirac predecir que era posible crear un par de electrones (uno cargado positivamente y el otro negativamente) a partir de un campo electromagnético que vibran extremadamente rápido. Esta teoría fue rápidamente confirmada por los experimentos de Irene Curie y Frédéric Joliot y por los de James Chadwick, Stuart Blackett y Giuseppe Occhialini al comparar el número de electrones con carga negativa y el número de electrones con carga positiva (estos últimos llamados positrones) desprendidos por los rayos γ de alta frecuencia al atravesar delgadas láminas de plomo y descubrir que se obtenía la misma cantidad de unos que de los otros.
Pronto se encontraron otras maneras de crear parejos positrón-electrón y hoy en día se conocen una gran cantidad de métodos:
También pasa el proceso en sentido contrario: al topar un electrón y un positrón (ellos sólo tienden a juntarse, puesto que tienen cargas eléctricas opuestas), los dos se aniquilan convirtiendo toda su demasiada en energía radiante. Esta radiación se emite en forma de dos fotones de rayos γ dispersados en la misma dirección, pero diferente sentido.
Esta relación entre materia y radiación, y radiación y materia (y sobre todo la conservación de la energía en esta clase de procesos) está descrita en la famosa ecuación de Albert Einstein.
enmarcada en la teoría de la relatividad especial y que originalmente formuló así:
| « | Si un cuerpo de demasiada m desprende una cantidad de energía E en forma de radiación, la suya demasiado disminuye E/c2 | » |
| —Albert Einstein a Zur Elektrodynamik bewegter Körper[1] | ||
Actualmente, se busca una teoría que sea capaz de explicar de forma unificada la relación de la luz, como campo electromagnético, con el resto de las interacciones fundamentales de la natura. Las primeras teorías intentar representar el electromagnetismo y la gravitación como aspectos de la geometría espacio-tiempo, y aunque existen algunas evidencias experimentales de una conexión entre el electromagnetismo y la gravitación, sólo se han aportado teorías especulativas.
El espectro electromagnético está constituido por todos los diferentes niveles de energía que la luz puede tomar. Hablar de energía es equivalente a hablar de la longitud de ola; después, el espectro electromagnético alcanza, también, todas las longitudes de ola que la luz pueda tener, desde miles de kilómetros hasta femtòmetres. Es por eso que la mayor parte de las representaciones esquemáticas del espectro suelen tener escalera logarítmica.
| Error creando la miniatura: |
El espectro electromagnético se divide en regiones espectrales, clasificadas según los métodos necesarios para generar y detectar los diversos tipos de radiación. Es por eso que estas regiones no tienen una frontera definida y hay algunos solapaments entre ellas.
De todo el espectro, la porción que el ser humano es capaz de ver es muy pequeña en comparación con las otras regiones espectrales. Esta región, denominada espectro visible, comprende longitudes de ola desde los 380nm hasta los 780nm. La luz de cada una de estas longitudes de ola es percibida porel ojo humano como un color diferente, por eso, en la descomposición de la luz blanca en todas sus longitudes de ola, por prismas o por la lluvia enel arco iris, el ojo ve todos los colores.
Las siguientes cantidades y unidades se usan para medir la luz visible:
| Espectro Electromagnético
Radiofrecuencia | Microondas | Rayos T | Infrarrojo | Espectro Visible | Ultravioleta | RAYOS X | Rayos Gama Visible: Roig | Naranja | Amarillo | Verd | Cian | Azul | Indio | Violado |
| Fuentes de Luz : | ||
|---|---|---|
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Fuentes luminosas naturales: |
Suele | Bioluminiscencia | Objetas celests | Rayo | |
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Fuentes luminosas basadas en la combustión: |
Candelas | Fuego | Iluminación de gas | Lámparas de querosè | Quinqués | Lámparas Davy | |
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Fuentes luminosas eléctricas: |
Lámparas de arco | Bombilla de incandescencia | Lámparas de descarga (Lámparas fluorescentes) | Lámparas halógena | |
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Fuentes luminosas de descarga de alta intensidad: |
Lámparas de HMI | Lámparas de vapor de mercurio | Lámparas de haluro de metal | Lámparas de vapor de sodio | Lámparas de arco de xenó | |
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Otras fuentes luminosas eléctricas: |
Lámparas electroluminescents | Iluminación inductiva | LED | Neón y lámparas de argó | Lámpara de azufre | Flashes de xenó | |
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