La luz es una forma de energía capaz de provocar cambios en los cuerpos. Así, por ejemplo, nuestra piel y la de muchos animales cambia de color cuando se expone a la luz solar. También es una importante fuente de energía para las plantas, que la utilizan para fabricar su alimento.
Gracias a ella podemos ver todo aquello que hay a nuestro alrededor.
🔆 Fuentes Luminosas
Hay cuerpos que producen y emiten su propia luz. Estos cuerpos reciben el nombre de fuentes luminosas.
- Fuentes luminosas naturales: Producen luz propia y se encuentran en la naturaleza, como el Sol, el fuego y algunos insectos como las luciérnagas.
- Fuentes luminosas artificiales: Fabricadas por las personas, como la bombilla (ampolleta), las velas, las cerillas (fósforos) y los tubos fluorescentes.
Durante el día la luz del Sol nos ilumina, los rayos de luz que nos llegan del Sol son una forma más en que se manifiesta la energía, la cual puede ser utilizada por el hombre para su provecho. De noche, sin embargo, necesitamos otras fuentes de luz, por eso conectamos bombillas (ampolletas), usamos una linterna o encendemos una luz para poder ver.
🔍 Tipos de Objetos según su Comportamiento con la Luz
Existen también los objetos transparentes, translúcidos y los objetos opacos.
📝 Actividad 1
Clasificación de fuentes de luz y objetos
⚡ PROPAGACIÓN DE LA LUZ
La luz emitida por una fuente luminosa es capaz de llegar a otros objetos e iluminarlos. Este recorrido de la luz, desde la fuente luminosa hasta los objetos, se denomina rayo luminoso.
✨ Características de la Propagación de la Luz
- La luz se propaga en línea recta. Por eso la luz deja de verse cuando se interpone un cuerpo entre el recorrido de la luz y la fuente luminosa.
- La luz se propaga en todas las direcciones. Esa es la razón por la cual el Sol ilumina todos los planetas del sistema solar.
- La luz se propaga a gran velocidad.
Si encendemos una bombilla (ampolleta) en una habitación, inmediatamente llega la luz a cualquier rincón de la misma. Es decir, la luz se propaga en todas direcciones. A no ser que encuentren obstáculos en su camino, los rayos de luz van a todas partes y siempre en línea recta.
Además, en el mismo momento de encender la ampolleta vemos la luz. Esto ocurre porque la luz viaja desde la ampolleta hasta nosotros muy rápido. La luz se propaga en el aire a una gran velocidad. En un segundo recorre trescientos mil (300 000) kilómetros. Sin embargo, la velocidad de la luz no es la misma en todos los medios. Si viaja a través del agua, o de un cristal, lo hace más lentamente que por el aire.
📝 Actividad 2
Cálculos con velocidad de la luz y propiedades de ondas
🌑 ECLIPSES
💡 Fuente Luminosa
Se denomina fuente luminosa, a todo cuerpo que emita o refleje radiaciones capaces de impresionar nuestro sentido de la vista. Si las dimensiones de la fuente luminosa son muy pequeñas en comparación con las demás distancias, que intervienen en el fenómeno, hablaremos de fuente luminosa puntual; en caso contrario, diremos que se trata de una fuente luminosa extensa o no puntual.
Los eclipses de Sol y de Luna son ejemplos que nos suministran otra prueba de la propagación rectilínea de la luz.
☀️ Eclipse de Sol
Se produce cuando la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra (la Luna y el Sol están en conjunción), y el cono de sombra proyectado por la Luna alcanza a la Tierra.
🌙 Eclipse de Luna
Se produce un eclipse de luna cuando la luna pasa por alguna parte de la sombra de la Tierra. Esto sucede alrededor de dos veces al año. No ocurre cada vez que la luna pasa por detrás de la Tierra (luna llena) porque la órbita de la luna está inclinada. Nuestro satélite puede estar detrás, pero por lo general también está por encima o por debajo de nuestra sombra.
🔗 Recursos Adicionales
📝 Actividad 3
Eclipses y sombras: Tierra, Luna y Sol
🔬 NATURALEZA DE LA LUZ
La luz es el agente físico que hace visibles los objetos. Se denomina luz a la claridad que irradian los cuerpos cuando están en combustión, ignición o incandescencia.
Hasta mediados del siglo XVII, se creía que la luz estaba formada por corpúsculos emitidos por los focos luminosos -tales como el sol o la llama de una vela -que viajaban en línea recta y atravesaban los objetos transparentes pero no los opacos, excitando el sentido de la vista al penetrar en el ojo. Alrededor de esa fecha, sin embargo, empezó a abrirse paso la teoría de que la luz obedecía, en realidad, a algún tipo de fenómeno ondulatorio.
Christian Huygens demostró, en 1660, que las leyes de la óptica podían explicarse basándose en la suposición de que la luz tenía naturaleza ondulatoria. En aquel momento, la teoría ondulatoria de la luz no fue aceptada, fundamentalmente por el apoyo de Newton a la teoría corpuscular. Dado el enorme prestigio del que gozaba Newton, la teoría de Christian Huygens fue ignorada por la comunidad científica.
Casi un siglo y medio después, en 1827, los experimentos de Thomas Young y Agustín Fresenel sobre interferencia y difracción, y otras experiencias posteriores de León Foucault, sobre medidas de velocidad de la luz en el seno de líquidos, pusieron en evidencia que la teoría corpuscular era poco apropiada para explicar determinados fenómenos ópticos.
En 1873, los experimentos de James Clerk Maxwell permitieron demostrar que la velocidad de las ondas electromagnéticas era sensiblemente igual a la de la luz; de ello se dedujo que la naturaleza de esta última debía ser la misma que la de las ondas electromagnéticas de frecuencia extremadamente corta. Esta teoría fue verificada en los experimentos realizados por Hertz en 1888. Como consecuencia de los
hallazgos descritos, a finales del siglo XIX, los científicos creyeron estar en posesión de un conocimiento
completo sobre la naturaleza de la luz. Sin embargo, el desarrollo posterior de la ciencia demostraría
que esta pretensión era incorrecta.
La teoría electromagnética clásica no podía explicar la emisión de electrones por parte de un conductor cuando se produce incidencia de luz sobre su superficie, fenómeno que se conoce como efecto fotoeléctrico. Este efecto fue explicado en 1905 por Albert Einstein quien, fundándose en una idea propuesta anteriormente por Planck, postuló que la energía de un haz luminoso se hallaba concentrada en pequeños paquetes o fotones. Aun así, el fotón tenía una frecuencia, y su energía era proporcional a ella. El mecanismo del efecto fotoeléctrico consistiría en la transmisión de energía de un fotón a un electrón.
Los experimentos de Millikan demostraron que la energía cinética de los fotoelectrones coincidía exactamente con los valores obtenidos mediante la fórmula de Einstein.
Louis de Broglie fue un físico de origen francés que, en 1924, presentó una tesis doctoral titulada: "Investigaciones sobre la teoría cuántica", introduciendo la idea de que los electrones se comportan como ondas. Este es el primer trabajo que presenta la dualidad onda corpúsculo característica de la mecánica cuántica. Su trabajo se basaba en los postulados de Einstein y Planck.
💡 Conclusión
El punto de vista actual es aceptar el hecho de que la luz parece tener una doble naturaleza que explica de forma diferente los fenómenos de la propagación de la luz y de la interacción de la luz y la materia.
📝 Actividad 4
Teorías de la luz: ondulatoria y corpuscular
📝 Actividad 5
Científicos y teorías sobre la naturaleza de la luz
⚛️ EMISIÓN CUÁNTICA DE LA LUZ
La luz se "fabrica" en el interior de los átomos, a través de un proceso llamado emisión cuántica de la luz. Para explicar este proceso de forma simple vamos a usar el modelo atómico de Bohr.
🔬 Proceso de Emisión Cuántica
A cada órbita le corresponde un nivel determinado de energía, por lo que se dice que las órbitas están cuantizadas. Las órbitas más alejadas del núcleo, tienen mayores niveles de energía que las más cercanas. Los electrones pueden "saltar" de un nivel a otro de energía.
- Cuando un electrón absorbe una cantidad de energía, salta hasta una órbita de mayor energía.
- Cuando esto ocurre, la órbita a la que llega el electrón se vuelve inestable y tiene que perder un electrón.
- Cuando el electrón se mueve hacia una órbita de menor energía, libera una partícula de luz llamada fotón.
- La energía de este fotón corresponde a la energía que libera el electrón, de acuerdo al principio universal de conservación de la energía.
Los fotones que emergen de los átomos constituyen la luz. Los fotones no tienen masa y se mueven en el vacío a la enorme rapidez de 300 000 km/s, conocida como la velocidad de la luz. No todos los fotones tienen igual nivel de energía. La energía de un fotón depende del salto cuántico que lo generó. Por ejemplo, en la figura 4, el fotón 2 tiene mayor energía que el fotón 1.
Albert Einstein (1905)
Demostró que la energía del fotón era proporcional a la frecuencia de la onda asociada. Así, entonces, una luz compuesta de fotones de mayor energía correspondería también a una luz de mayor frecuencia.
📝 Actividad 6
Saltos cuánticos y propiedades de fotones
🌈 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Si las ondas electromagnéticas se organizan en un continuo de acuerdo a sus longitudes obtenemos el espectro electromagnético en donde las ondas más largas (longitudes desde metros a kilómetros) se encuentran en un extremo (Radio) y las más cortas en el otro (longitudes de onda de una billonésima de metros) (Gamma).
📡 Características de cada tipo de onda electromagnética
Luz Visible
Isaac Newton fue el primero en descomponer la luz visible blanca del Sol en sus componentes mediante la utilización de un prisma. La luz blanca está constituida por la combinación de ondas que tienen energías semejantes sin que alguna predomine sobre las otras. La radiación visible va desde \[384 \times 10^{12}\] hasta \[769 \times 10^{12}\] Hz. Las frecuencias más bajas de la luz visible (longitud de onda larga) se perciben como rojas y las de más alta frecuencia (longitud corta) aparecen violetas.
Rayos Infrarrojos
La radiación infrarroja fue descubierta por el astrónomo William Herschel (1738-1822) en 1800, al medir una zona más caliente más allá de la zona roja del espectro visible. La radiación infrarroja se localiza en el espectro entre \[3 \times 10^{11}\] Hz hasta aproximadamente los \[4 \times 10^{14}\] Hz. La banda infrarroja se divide en tres secciones de acuerdo a su distancia a la zona visible: próxima (780 - 2500 nm), intermedia (2500 - 50000 nm) y lejana (50000 - 1mm). Toda molécula que tenga un temperatura superior al cero absoluto (–273º K) emite rayos infrarrojos y su cantidad está directamente relacionada con la temperatura del objeto.
Microondas
La región de las microondas se encuentra entre los \[10^9\] hasta aproximadamente \[3 \times 10^{11}\] Hz (con longitud de onda entre 30 cm a 1 mm).
Ondas de Radio
Heinrich Hertz (1857-1894), en el año de 1887, consiguió detectar ondas de radio que tenían una longitud del orden de un metro. La región de ondas de radio se extiende desde algunos Hertz hasta \[10^9\] Hz con longitudes de onda desde muchos kilómetros hasta menos de 30 cm.
Rayos X
En 1895 Wilhelm Röntgen inventó una máquina que producía radiación electromagnética con una longitud de onda menor a 10 nm a los cuales debido a que no conocía su naturaleza las bautizó como X.
Radiación Ultravioleta
Sus longitudes de onda se extienden entre 10 y 400 nm más cortas que las de la luz visible.
Rayos Gamma
Se localizan en la parte del espectro que tiene las longitudes de onda más pequeñas entre 10 y 0.01 nm.
📝 Actividad 7a
Términos pareados: ondas electromagnéticas
📝 Actividad 7b
Selección múltiple: espectro electromagnético
