.jpg/1280px-Prism_flat_rainbow_(cropped).jpg)
La luz o luz visible es una radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano . [1] La luz visible generalmente se define como aquella que tiene longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros (nm), correspondientes a frecuencias de 750 a 420 terahercios , entre el infrarrojo (con longitudes de onda más largas) y el ultravioleta (con longitudes de onda más cortas). [2] [3]
En física , el término "luz" puede referirse de manera más amplia a la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda, ya sea visible o no. [4] [5] En este sentido, los rayos gamma , los rayos X , las microondas y las ondas de radio también son luz. Las propiedades principales de la luz son la intensidad , la dirección de propagación, el espectro de frecuencia o longitud de onda y la polarización . Su velocidad en el vacío ,299 792 458 m/s , es una de las constantes fundamentales de la naturaleza. [6] Como todos los tipos de radiación electromagnética, la luz visible se propaga mediante partículas elementales sin masa llamadas fotones que representan los cuantos del campo electromagnético y pueden analizarse como ondas y partículas . El estudio de la luz, conocido como óptica , es un área de investigación importante en la física moderna .
La principal fuente de luz natural en la Tierra es el Sol . Históricamente, otra fuente importante de luz para el ser humano ha sido el fuego , desde las antiguas fogatas hasta las modernas lámparas de queroseno . Con el desarrollo de las luces eléctricas y los sistemas de energía , la iluminación eléctrica ha reemplazado efectivamente a la luz del fuego.
Generalmente, la radiación electromagnética (REM) se clasifica por longitud de onda en ondas de radio , microondas , infrarrojas , el espectro visible que percibimos como luz, ultravioleta , rayos X y rayos gamma . La denominación " radiación " excluye los campos eléctricos estáticos , magnéticos y cercanos .
El comportamiento de la EMR depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas y las frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas. Cuando EMR interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento depende de la cantidad de energía por cuanto que transporta.
La EMR en la región de la luz visible consta de cuantos (llamados fotones ) que se encuentran en el extremo inferior de las energías que son capaces de causar excitación electrónica dentro de las moléculas, lo que conduce a cambios en los enlaces o la química de la molécula. En el extremo inferior del espectro de luz visible, la EMR se vuelve invisible para los humanos (infrarrojos) porque sus fotones ya no tienen suficiente energía individual para causar un cambio molecular duradero (un cambio en la conformación) en la molécula visual retiniana en la retina humana, que El cambio desencadena la sensación de visión.
Existen animales que son sensibles a varios tipos de infrarrojos, pero no mediante absorción cuántica. La detección infrarroja en las serpientes depende de un tipo de imagen térmica natural , en la que la radiación infrarroja eleva la temperatura de pequeños paquetes de agua celular. La EMR en este rango provoca vibraciones moleculares y efectos de calentamiento, que es como estos animales lo detectan.
Por encima del rango de luz visible, la luz ultravioleta se vuelve invisible para los humanos, principalmente porque es absorbida por la córnea por debajo de 360 nm y el cristalino interno por debajo de 400 nm. Además, los bastones y conos situados en la retina del ojo humano no pueden detectar las longitudes de onda ultravioleta muy cortas (por debajo de 360 nm) y, de hecho, resultan dañados por la radiación ultravioleta. Muchos animales con ojos que no requieren lentes (como los insectos y los camarones) son capaces de detectar la luz ultravioleta, mediante mecanismos cuánticos de absorción de fotones, de forma muy similar a la forma química en que los humanos detectan la luz visible.
Varias fuentes definen la luz visible desde 420 a 680 nm [7] [8] hasta 380 a 800 nm. [9] [10] En condiciones ideales de laboratorio, las personas pueden ver infrarrojos hasta al menos 1.050 nm; [11] los niños y los adultos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta de hasta aproximadamente 310 a 313 nm. [12] [13] [14]
El crecimiento de las plantas también se ve afectado por el espectro de colores de la luz, un proceso conocido como fotomorfogénesis .
La velocidad de la luz en el vacío se define como exactamente 299 792 458 m/s (aproximadamente 186 282 millas por segundo). El valor fijo de la velocidad de la luz en unidades SI resulta del hecho de que el metro ahora se define en términos de la velocidad de la luz. Todas las formas de radiación electromagnética se mueven exactamente a la misma velocidad en el vacío.
Diferentes físicos han intentado medir la velocidad de la luz a lo largo de la historia. Galileo intentó medir la velocidad de la luz en el siglo XVII. Ole Rømer , un físico danés, realizó uno de los primeros experimentos para medir la velocidad de la luz en 1676. Utilizando un telescopio , Rømer observó los movimientos de Júpiter y una de sus lunas , Ío . Al observar discrepancias en el período aparente de la órbita de Ío, calculó que la luz tarda unos 22 minutos en atravesar el diámetro de la órbita de la Tierra. [15] Sin embargo, su tamaño no se conocía en ese momento. Si Rømer hubiera conocido el diámetro de la órbita de la Tierra, habría calculado una velocidad de227 000 000 m/s .
Hippolyte Fizeau realizó otra medición más precisa de la velocidad de la luz en Europa en 1849. [16] Fizeau dirigió un rayo de luz hacia un espejo a varios kilómetros de distancia. Se colocó una rueda dentada giratoria en el camino del haz de luz mientras viajaba desde la fuente hasta el espejo y luego regresaba a su origen. Fizeau descubrió que a una cierta velocidad de rotación, la viga pasaría por un espacio en la rueda al salir y por el siguiente espacio al regresar. Conociendo la distancia al espejo, el número de dientes de la rueda y la velocidad de rotación, Fizeau pudo calcular la velocidad de la luz como313 000 000 m/s .
Léon Foucault llevó a cabo un experimento utilizando espejos giratorios para obtener un valor de 298.000.000 m/s [16] en 1862. Albert A. Michelson realizó experimentos sobre la velocidad de la luz desde 1877 hasta su muerte en 1931. Refinó los métodos de Foucault. en 1926 utilizó espejos giratorios mejorados para medir el tiempo que tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta desde el Monte Wilson al Monte San Antonio en California. Las mediciones precisas arrojaron una velocidad de 299.796.000 m/s. [17]
La velocidad efectiva de la luz en diversas sustancias transparentes que contienen materia ordinaria es menor que en el vacío. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el agua es aproximadamente 3/4 de la velocidad en el vacío.
Se decía que dos equipos independientes de físicos lograron "detener completamente" la luz haciéndola pasar a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio , un equipo de la Universidad de Harvard y el Instituto Rowland para la Ciencia en Cambridge, Massachusetts, y el otro en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica , también en Cambridge. [18] Sin embargo, la descripción popular de la luz "detenida" en estos experimentos se refiere sólo a la luz que se almacena en los estados excitados de los átomos y luego se reemite en un momento arbitrario posterior, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo que estuvo "detenido", había dejado de ser luz.
El estudio de la luz y la interacción de la luz y la materia se denomina óptica . La observación y el estudio de fenómenos ópticos como el arco iris y la aurora boreal ofrecen muchas pistas sobre la naturaleza de la luz.
Un objeto transparente permite que la luz se transmita o pase. Por el contrario, un objeto opaco no permite que la luz se transmita y, en cambio, refleja o absorbe la luz que recibe. La mayoría de los objetos no reflejan ni transmiten la luz de forma especular y, hasta cierto punto, dispersan la luz entrante, lo que se denomina brillo . La dispersión superficial es causada por la rugosidad de las superficies reflectantes y la dispersión interna es causada por la diferencia del índice de refracción entre las partículas y el medio dentro del objeto. Al igual que los objetos transparentes, los objetos translúcidos permiten que la luz se transmita, pero los objetos translúcidos también dispersan cierta longitud de onda de luz a través de la dispersión interna. [19]
La refracción es la curvatura de los rayos de luz al atravesar una superficie entre un material transparente y otro. Está descrito por la ley de Snell :
donde θ 1 es el ángulo entre el rayo y la superficie normal en el primer medio, θ 2 es el ángulo entre el rayo y la superficie normal en el segundo medio y n 1 y n 2 son los índices de refracción , n = 1 en un vacío y n > 1 en una sustancia transparente .
Cuando un haz de luz cruza la frontera entre el vacío y otro medio, o entre dos medios diferentes, la longitud de onda de la luz cambia, pero la frecuencia permanece constante. Si el haz de luz no es ortogonal (o más bien normal) al límite, el cambio en la longitud de onda resulta en un cambio en la dirección del haz. Este cambio de dirección se conoce como refracción .
La calidad refractiva de las lentes se utiliza frecuentemente para manipular la luz con el fin de cambiar el tamaño aparente de las imágenes. Lupas , gafas , lentes de contacto , microscopios y telescopios refractores son todos ejemplos de esta manipulación.
Hay muchas fuentes de luz. Un cuerpo a una temperatura determinada emite un espectro característico de radiación de cuerpo negro . Una fuente térmica simple es la luz solar , la radiación emitida por la cromosfera del Sol a alrededor de 6.000 K (5.730 °C ; 10.340 °F ). La radiación solar alcanza su punto máximo en la región visible del espectro electromagnético cuando se representa en unidades de longitud de onda, [20] y aproximadamente el 44% de la radiación que llega al suelo es visible. [21] Otro ejemplo son las bombillas incandescentes , que emiten sólo alrededor del 10% de su energía en forma de luz visible y el resto en forma de luz infrarroja. Una fuente de luz térmica común en la historia son las partículas sólidas que brillan en las llamas , pero éstas también emiten la mayor parte de su radiación en el infrarrojo y solo una fracción en el espectro visible.
El pico del espectro del cuerpo negro se encuentra en el infrarrojo profundo, a una longitud de onda de aproximadamente 10 micrómetros , para objetos relativamente fríos como los seres humanos. A medida que aumenta la temperatura, el pico cambia a longitudes de onda más cortas, produciendo primero un brillo rojo, luego uno blanco y finalmente un color blanco azulado a medida que el pico sale de la parte visible del espectro hacia el ultravioleta. Estos colores se pueden ver cuando el metal se calienta a "al rojo vivo" o "al blanco". La emisión térmica azul-blanca no se ve a menudo, excepto en las estrellas (el color azul puro que se ve comúnmente en una llama de gas o en un soplete de soldador se debe de hecho a la emisión molecular, en particular a los radicales CH que emiten una banda de longitud de onda de alrededor de 425 nm). y no se ve en las estrellas ni en la radiación térmica pura).
Los átomos emiten y absorben luz con energías características. Esto produce " líneas de emisión " en el espectro de cada átomo. La emisión puede ser espontánea , como en los diodos emisores de luz , las lámparas de descarga de gas (como las lámparas y letreros de neón , las lámparas de vapor de mercurio , etc.) y las llamas (la luz del propio gas caliente, como, por ejemplo, el sodio en un La llama del gas emite una característica luz amarilla). La emisión también puede estimularse , como en un láser o un máser de microondas .
La desaceleración de una partícula cargada libre, como un electrón , puede producir radiación visible: la radiación ciclotrón , la radiación sincrotrón y la radiación bremsstrahlung son ejemplos de esto. Las partículas que se mueven a través de un medio más rápido que la velocidad de la luz en ese medio pueden producir radiación Cherenkov visible . Ciertos productos químicos producen radiación visible por quimioluminiscencia . En los seres vivos, este proceso se llama bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas producen luz de esta manera y los barcos que se mueven por el agua pueden perturbar el plancton, que produce una estela brillante.
Ciertas sustancias producen luz cuando son iluminadas por una radiación más energética, proceso conocido como fluorescencia . Algunas sustancias emiten luz lentamente después de ser excitadas por una radiación más energética. Esto se conoce como fosforescencia . Los materiales fosforescentes también pueden excitarse bombardeándolos con partículas subatómicas. La catodoluminiscencia es un ejemplo. Este mecanismo se utiliza en televisores de tubos catódicos y monitores de ordenador .
Ciertos otros mecanismos pueden producir luz:
Cuando se pretende que el concepto de luz incluya fotones de muy alta energía (rayos gamma), los mecanismos de generación adicionales incluyen:
La luz se mide con dos conjuntos alternativos principales de unidades: la radiometría consiste en mediciones de la potencia luminosa en todas las longitudes de onda, mientras que la fotometría mide la luz con longitudes de onda ponderadas con respecto a un modelo estandarizado de percepción humana del brillo. La fotometría es útil, por ejemplo, para cuantificar la iluminación (alumbrado) destinada al uso humano.
Las unidades de fotometría se diferencian de la mayoría de los sistemas de unidades físicas en que tienen en cuenta cómo responde el ojo humano a la luz. Las células cónicas del ojo humano son de tres tipos que responden de manera diferente en todo el espectro visible y la respuesta acumulativa alcanza su punto máximo a una longitud de onda de alrededor de 555 nm. Por lo tanto, dos fuentes de luz que producen la misma intensidad (W/m 2 ) de luz visible no necesariamente parecen igualmente brillantes. Las unidades de fotometría están diseñadas para tener esto en cuenta y, por lo tanto, son una mejor representación de cuán "brillante" parece ser una luz que la intensidad bruta. Se relacionan con la potencia bruta mediante una cantidad llamada eficacia luminosa y se utilizan para fines como determinar cómo lograr mejor una iluminación suficiente para diversas tareas en entornos interiores y exteriores. La iluminación medida por un sensor de fotocélula no necesariamente corresponde a lo que percibe el ojo humano y sin filtros que pueden ser costosos, las fotocélulas y los dispositivos de carga acoplada (CCD) tienden a responder a algo de infrarrojo , ultravioleta o ambos.
La luz ejerce presión física sobre los objetos que se encuentran en su camino, un fenómeno que puede deducirse de las ecuaciones de Maxwell , pero que puede explicarse más fácilmente por la naturaleza partícula de la luz: los fotones chocan y transfieren su impulso. La presión de la luz es igual a la potencia del haz de luz dividida por c , la velocidad de la luz. Debido a la magnitud de c , el efecto de la presión de la luz es insignificante para los objetos cotidianos. Por ejemplo, un puntero láser de un milivatio ejerce una fuerza de aproximadamente 3,3 piconewtons sobre el objeto que se ilumina; por lo tanto, se podría ganar un centavo estadounidense con punteros láser, pero hacerlo requeriría alrededor de 30 mil millones de punteros láser de 1 mW. [22] Sin embargo, en aplicaciones a escala nanométrica , como los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), el efecto de la presión de la luz es más significativo y explotar la presión de la luz para impulsar mecanismos NEMS y activar interruptores físicos a escala nanométrica en circuitos integrados es un área activa de investigación. investigación. [23] A escalas mayores, la presión ligera puede hacer que los asteroides giren más rápido, [24] actuando sobre sus formas irregulares como sobre las paletas de un molino de viento . También se está investigando la posibilidad de fabricar velas solares que acelerarían las naves espaciales en el espacio. [25] [26]
Aunque el movimiento del radiómetro de Crookes se atribuyó originalmente a una ligera presión, esta interpretación es incorrecta; La rotación característica de Crookes es el resultado de un vacío parcial. [27] Esto no debe confundirse con el radiómetro de Nichols , en el que el (ligero) movimiento causado por el par (aunque no suficiente para una rotación completa contra la fricción) es causado directamente por una ligera presión. [28] Como consecuencia de la presión de la luz, Einstein en 1909 predijo la existencia de una "fricción de radiación" que se opondría al movimiento de la materia. [29] Escribió: "La radiación ejercerá presión en ambos lados de la placa. Las fuerzas de presión ejercidas en los dos lados son iguales si la placa está en reposo. Sin embargo, si está en movimiento, se reflejará más radiación en la superficie que está adelante durante el movimiento (superficie frontal) que en la superficie posterior. La fuerza de presión que actúa hacia atrás ejercida sobre la superficie frontal es, por lo tanto, mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la parte posterior. Por lo tanto, como resultado de las dos fuerzas , queda una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con la velocidad de la placa. A esto lo llamaremos brevemente "fricción por radiación".
Por lo general, el impulso de la luz está alineado con su dirección de movimiento. Sin embargo, por ejemplo, en las ondas evanescentes, el impulso es transversal a la dirección de propagación. [30]
En el siglo V a.C., Empédocles postuló que todo estaba compuesto por cuatro elementos ; fuego, aire, tierra y agua. Creía que Afrodita hizo el ojo humano a partir de los cuatro elementos y que ella encendió el fuego en el ojo que brillaba desde el ojo haciendo posible la vista. Si esto fuera cierto, entonces se podría ver durante la noche tan bien como durante el día, por lo que Empédocles postuló una interacción entre los rayos de los ojos y los rayos de una fuente como el sol. [31]
Aproximadamente en el año 300 a. C., Euclides escribió Óptica , en la que estudiaba las propiedades de la luz. Euclides postuló que la luz viajaba en línea recta y describió las leyes de la reflexión y las estudió matemáticamente. Cuestionó que la vista sea el resultado de un rayo del ojo, pues pregunta cómo se ven las estrellas inmediatamente, si uno cierra los ojos y luego los abre por la noche. Si el rayo del ojo viaja infinitamente rápido, esto no es un problema. [32]
En el año 55 a. C., Lucrecio , un romano que continuó las ideas de los atomistas griegos anteriores , escribió que "La luz y el calor del sol; están compuestos de átomos diminutos que, cuando son expulsados, no pierden tiempo en dispararse a través de el espacio intermedio del aire en la dirección impartida por el empujón." (de Sobre la naturaleza del Universo ). A pesar de ser similares a teorías de partículas posteriores, las opiniones de Lucrecio no fueron generalmente aceptadas. Ptolomeo (c. siglo II) escribió sobre la refracción de la luz en su libro Óptica . [33]
En la antigua India , las escuelas hindúes de Samkhya y Vaisheshika , de alrededor de los primeros siglos d.C., desarrollaron teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos "sutiles" fundamentales ( tanmatra ) de los que emergen los elementos densos. La atomicidad de estos elementos no se menciona específicamente y parece que en realidad se los consideró continuos. [34] El Vishnu Purana se refiere a la luz del sol como "los siete rayos del sol". [34]
Los budistas indios , como Dignāga en el siglo V y Dharmakirti en el siglo VII, desarrollaron un tipo de atomismo que es una filosofía sobre la realidad compuesta de entidades atómicas que son destellos momentáneos de luz o energía. Consideraban la luz como una entidad atómica equivalente a la energía. [34]
René Descartes (1596-1650) sostuvo que la luz era una propiedad mecánica del cuerpo luminoso, rechazando las "formas" de Ibn al-Haytham y Witelo así como las "especies" de Bacon , Grosseteste y Kepler . [35] En 1637 publicó una teoría de la refracción de la luz que suponía, incorrectamente, que la luz viajaba más rápido en un medio más denso que en un medio menos denso. Descartes llegó a esta conclusión por analogía con el comportamiento de las ondas sonoras. [ cita necesaria ] Aunque Descartes se equivocó acerca de las velocidades relativas, tenía razón al suponer que la luz se comportaba como una onda y al concluir que la refracción podría explicarse por la velocidad de la luz en diferentes medios.
Descartes no es el primero en utilizar analogías mecánicas, pero como afirma claramente que la luz es sólo una propiedad mecánica del cuerpo luminoso y del medio transmisor, la teoría de la luz de Descartes se considera el comienzo de la óptica física moderna. [35]
Pierre Gassendi (1592-1655), un atomista, propuso una teoría de partículas de la luz que se publicó póstumamente en la década de 1660. Isaac Newton estudió la obra de Gassendi a una edad temprana y prefirió su punto de vista a la teoría del pleno de Descartes . Afirmó en su Hipótesis de la luz de 1675 que la luz estaba compuesta de corpúsculos (partículas de materia) que eran emitidos en todas direcciones desde una fuente. Uno de los argumentos de Newton contra la naturaleza ondulatoria de la luz era que se sabía que las ondas rodeaban los obstáculos, mientras que la luz viajaba sólo en línea recta. Sin embargo, explicó el fenómeno de la difracción de la luz (que había sido observado por Francesco Grimaldi ) admitiendo que una partícula de luz podía crear una onda localizada en el éter .
La teoría de Newton podría usarse para predecir la reflexión de la luz, pero sólo podía explicar la refracción suponiendo incorrectamente que la luz se aceleraba al entrar en un medio más denso porque la atracción gravitacional era mayor. Newton publicó la versión final de su teoría en su Óptica de 1704. Su reputación ayudó a que la teoría de las partículas de la luz prevaleciera durante el siglo XVIII. La teoría de las partículas de la luz llevó a Laplace a argumentar que un cuerpo podría ser tan masivo que la luz no podría escapar de él. Es decir, se convertiría en lo que hoy se llama agujero negro . Laplace retiró su sugerencia más tarde, después de que una teoría ondulatoria de la luz quedó firmemente establecida como modelo para la luz (como ya se ha explicado, ni la teoría de las partículas ni la de las ondas son totalmente correctas). Una traducción del ensayo de Newton sobre la luz aparece en La estructura a gran escala del espacio-tiempo , de Stephen Hawking y George FR Ellis .
Newton explicó por primera vez cualitativamente el hecho de que la luz pudiera polarizarse utilizando la teoría de partículas. Étienne-Louis Malus creó en 1810 una teoría matemática de la polarización de partículas. Jean-Baptiste Biot demostró en 1812 que esta teoría explicaba todos los fenómenos conocidos de polarización de la luz. En aquella época la polarización se consideraba la prueba de la teoría de partículas.
Para explicar el origen de los colores , Robert Hooke (1635-1703) desarrolló una "teoría del pulso" y comparó la propagación de la luz con la de las ondas en el agua en su obra de 1665 Micrographia ("Observación IX"). En 1672 Hooke sugirió que las vibraciones de la luz podrían ser perpendiculares a la dirección de propagación. Christiaan Huygens (1629-1695) elaboró una teoría matemática ondulatoria de la luz en 1678 y la publicó en su Tratado sobre la luz en 1690. Propuso que la luz se emitía en todas direcciones como una serie de ondas en un medio llamado éter luminífero . Como las ondas no se ven afectadas por la gravedad, se supuso que se desaceleraban al entrar en un medio más denso. [36]
La teoría ondulatoria predijo que las ondas de luz podrían interferir entre sí como las ondas sonoras (como señaló alrededor de 1800 Thomas Young ). Young demostró mediante un experimento de difracción que la luz se comportaba como ondas. También propuso que los diferentes colores eran causados por diferentes longitudes de onda de luz y explicó la visión del color en términos de receptores tricolores en el ojo. Otro partidario de la teoría ondulatoria fue Leonhard Euler . Argumentó en Nova theoria lucis et colorum (1746) que la difracción podría explicarse más fácilmente mediante una teoría ondulatoria. En 1816, André-Marie Ampère le dio a Augustin-Jean Fresnel la idea de que la polarización de la luz puede explicarse mediante la teoría ondulatoria si la luz fuera una onda transversal . [37]
Más tarde, Fresnel elaboró de forma independiente su propia teoría ondulatoria de la luz y la presentó a la Academia de Ciencias en 1817. Siméon Denis Poisson amplió el trabajo matemático de Fresnel para producir un argumento convincente a favor de la teoría ondulatoria, ayudando a revertir la teoría corpuscular de Newton. [ dudoso ] En el año 1821, Fresnel pudo demostrar mediante métodos matemáticos que la polarización podía explicarse mediante la teoría ondulatoria de la luz si y sólo si la luz era completamente transversal, sin vibración longitudinal alguna. [ cita necesaria ]
La debilidad de la teoría ondulatoria era que las ondas luminosas, al igual que las ondas sonoras, necesitarían un medio para transmitirse. La existencia de la hipotética sustancia luminífera éter propuesta por Huygens en 1678 fue puesta en duda a finales del siglo XIX por el experimento de Michelson-Morley .
La teoría corpuscular de Newton implicaba que la luz viajaría más rápido en un medio más denso, mientras que la teoría ondulatoria de Huygens y otros implicaba lo contrario. En aquel momento, la velocidad de la luz no se podía medir con suficiente precisión para decidir qué teoría era correcta. El primero en realizar una medición suficientemente precisa fue Léon Foucault , en 1850. [38] Su resultado apoyó la teoría ondulatoria y la teoría clásica de las partículas fue finalmente abandonada, para resurgir sólo parcialmente en el siglo XX.
En 1845, Michael Faraday descubrió que el plano de polarización de la luz polarizada linealmente gira cuando los rayos de luz viajan a lo largo de la dirección del campo magnético en presencia de un dieléctrico transparente , un efecto ahora conocido como rotación de Faraday . [39] Esta fue la primera evidencia de que la luz estaba relacionada con el electromagnetismo . En 1846 especuló que la luz podría ser alguna forma de perturbación que se propaga a lo largo de las líneas del campo magnético. [39] Faraday propuso en 1847 que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia, que podía propagarse incluso en ausencia de un medio como el éter. [40]
El trabajo de Faraday inspiró a James Clerk Maxwell a estudiar la luz y la radiación electromagnética. Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas autopropagadas viajaban a través del espacio a una velocidad constante, que resultó ser igual a la velocidad de la luz medida anteriormente. A partir de esto, Maxwell concluyó que la luz era una forma de radiación electromagnética: afirmó este resultado por primera vez en 1862 en Sobre las líneas físicas de fuerza . En 1873, publicó Tratado sobre electricidad y magnetismo , que contenía una descripción matemática completa del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, todavía conocidas como ecuaciones de Maxwell . Poco después, Heinrich Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell generando y detectando ondas de radio en el laboratorio y demostrando que estas ondas se comportaban exactamente como la luz visible, exhibiendo propiedades como reflexión, refracción, difracción e interferencia . La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz condujeron directamente al desarrollo de la radio, el radar, la televisión, las imágenes electromagnéticas y las comunicaciones inalámbricas modernas.
En la teoría cuántica, los fotones se consideran paquetes de ondas de las ondas descritas en la teoría clásica de Maxwell. La teoría cuántica era necesaria para explicar efectos, incluso con luz visual, que la teoría clásica de Maxwell no podía (como las líneas espectrales ).
En 1900, Max Planck , al intentar explicar la radiación del cuerpo negro , sugirió que aunque la luz era una onda, estas ondas podían ganar o perder energía sólo en cantidades finitas relacionadas con su frecuencia. Planck llamó a estos "grumos" de energía luminosa " cuantos " (de una palabra latina que significa "cuánto"). En 1905, Albert Einstein utilizó la idea de los cuantos de luz para explicar el efecto fotoeléctrico y sugirió que estos cuantos de luz tenían una existencia "real". En 1923, Arthur Holly Compton demostró que el cambio de longitud de onda observado cuando los rayos X de baja intensidad se dispersaban desde los electrones (la llamada dispersión Compton ) podía explicarse mediante una teoría de partículas de los rayos X, pero no una teoría ondulatoria. En 1926 , Gilbert N. Lewis denominó fotones a estas partículas de cuantos de luz . [41]
Con el tiempo, la teoría moderna de la mecánica cuántica llegó a representar la luz (en cierto sentido) como una partícula y una onda y (en otro sentido), como un fenómeno que no es ni una partícula ni una onda (que en realidad son fenómenos macroscópicos, como pelotas de béisbol u olas del mar). En cambio, la física moderna ve la luz como algo que puede describirse a veces con matemáticas apropiadas para un tipo de metáfora macroscópica (partículas) y a veces con otra metáfora macroscópica (ondas de agua), pero que en realidad es algo que no se puede imaginar completamente. Como en el caso de las ondas de radio y los rayos X implicados en la dispersión de Compton, los físicos han observado que la radiación electromagnética tiende a comportarse más como una onda clásica en frecuencias más bajas, pero más como una partícula clásica en frecuencias más altas, pero nunca pierde completamente todo. cualidades de uno u otro. Se puede demostrar fácilmente en experimentos que la luz visible, que ocupa un término medio en frecuencia, se puede describir utilizando un modelo de onda o de partícula, o a veces ambos.
En febrero de 2018, los científicos informaron, por primera vez, del descubrimiento de una nueva forma de luz, que podría involucrar polaritones , que podría ser útil en el desarrollo de computadoras cuánticas . [42] [43]
La luz del sol proporciona la energía que las plantas verdes utilizan para crear azúcares, principalmente en forma de almidones , que liberan energía a los seres vivos que los digieren. Este proceso de fotosíntesis proporciona prácticamente toda la energía utilizada por los seres vivos. Algunas especies de animales generan su propia luz, proceso llamado bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas usan la luz para localizar a sus parejas y los calamares vampiros la usan para esconderse de sus presas.
El ojo humano tiene la capacidad de responder a todas las longitudes de onda de la luz entre 400 y 700 nm. Esto se llama la parte visible del espectro.
La luz es una clase especial de energía radiante que abarca longitudes de onda entre 400 y 700 nm (o mμ), o 4000 a 7000 Å.
Se midió la sensibilidad foveal a varias longitudes de onda del láser del infrarrojo cercano.
Se descubrió que el ojo podía responder a la radiación en longitudes de onda de al menos 1.064 nm.
Una fuente láser continua de 1.064 nm apareció en rojo, pero una fuente láser pulsada de 1.060 nm apareció en verde, lo que sugiere la presencia de una segunda generación armónica en la retina.
Los límites del rango general de sensibilidad del ojo se extienden desde aproximadamente 310 a 1.050 nanómetros.
Normalmente el ojo humano responde a rayos de luz de 390 a 760 nm. Esto puede ampliarse a un rango de 310 a 1.050 nm en condiciones artificiales.
Barrow, Gordon M. (1962). Introducción a la espectroscopia molecular (PDF escaneado) . McGraw-Hill. LCCN 62-12478.
Medios relacionados con la luz en Wikimedia Commons
La definición del diccionario de luz en Wikcionario.
Citas relacionadas con la luz en Wikiquote
