Se describen de manera muy somera las distintas teoríaa sobre la luz desde un punto de vista histórico

1. Santiago Fernández
Universidad de Deusto. 2018
La luz

2. Decía el divulgador I. Asimov que “ Entre todos los felices
atributos de la Naturaleza, el que probablemente aprecie
más el hombre es la luz”
1. Dijo Dios: «Haya luz», y hubo luz.
2. Vio Dios que la luz estaba bien, y apartó Dios la luz de
la oscuridad;
3. y llamó Dios a la luz «día», y a la oscuridad la llamó
«noche». Y atardeció y amaneció: día primero.
Libro del Génesis

3. ¿Qué es la luz?
La luz (del latín lux, lucis) es la parte de la radiación
electromagnética que puede ser percibida por el ojo
humano.
En física, el término luz es considerado como parte del
campo de las radiaciones conocido como espectro
electromagnético,

4. La luz, como todas las radiaciones electromagnéticas, está
formada por partículas elementales desprovistas de masa
denominadas fotones,​cuyas propiedades de acuerdo con
la dualidad onda-partícula explican las características de
su comportamiento físico.
Se trata de una onda esférica.

5. La imagen de luz visible más profunda
del cosmos, el Campo Ultra Profundo
del Hubble.

6. El color de las estrellas nos da una idea de su edad. Así las
estrellas más jóvenes tienen una tonalidad más azulada y las
estrellas más viejas, más rojiza. Esto es debido a que cuanto más
joven es una estrella, mayor energía genera y mayor temperatura
alcanza.

7. Via lactea al detalle con telescopios
de alta sensibilidad

8. Newton y la Luz
Las primeras explicaciones del espectro visible vienen de
Isaac Newton, que escribió su Optica y de Johann
Wolfgang Goethe(1749-1832) en su Teoría de los
colores, a pesar de sus tempranas observaciones que ya
fueron hechas por Roger Bacon que por primera vez
reconoció el espectro visible en un vaso de agua, cuatro
siglos antes de los descubrimientos de Newton.
Newton uso por primera vez la palabra espectro (del latín,
"apariencia”)en 1671 al describir sus experimentos en
óptica.
Isaac Newton( 1642-1727)

9. Newton observó que cuando un estrecho haz de luz solar incide sobre un
prisma de vidrio triangular con un ángulo, una parte se refleja y otra pasa a
través del vidrio, mostrando diferentes bandas de colores. La hipótesis de
Newton era que la luz estaba hecha por corpúsculos(partículas) de diferentes
colores y que la diferencia en los colores era debido a la diferencia de
velocidades de cada uno de ellos, de modo que en un medio transparente,
la luz roja era más veloz que la luz violeta. El resultado es que la luz roja se
doblaba (refractaba) menos que la luz violeta cuando pasaban a través del
prisma, creando el espectro de colores

10. Experimento de Isaac Newton

12. Disco Newton

13. La reflexión de la luz ocurre cuando los rayos de
luz que inciden en una superficie chocan en ella, se
desvían y regresan al medio que salieron formando un
ángulo igual al de la luz incidente,

14. La refracción es la variación brusca de dirección
que sufre la luz al cambiar de medio.
Este fenómeno se debe al hecho de que la luz se
propaga a diferentes velocidades según el medio
por el que viaja.

15. Refracción de la luz

16. La difracción sucede cuando las ondas de la luz se
difunden alrededor de un objeto.
Cuando la luz pasa a través de una abertura (rendija u
orificio) u obstáculo de tamaño comparable a las
dimensiones de la longitud de onda, los haces de luz no
sólo se ensanchan más allá de la sombra geométrica del
obstáculo; también surge una serie de bandas claras y
oscuras alternadas en torno a ella

17. El espato de Islandia es una variedad de calcita transparente
y romboédrica. Presenta la propiedad óptica de la
birrefringencia, es decir, que tiene una doble refracción.
Newton con su teoría corpuscular no pudo explicar las propiedades
del espato de Islandia

18. Teoría CORPUSCULAR Esta teoría se debe a Newton (1642-1726).
La luz está compuesta por diminutas partículas materiales emitidas a
gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos. La dirección de
propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo luminoso.
Reflexión. se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja.
Newton explicaba este fenómeno diciendo que las partículas
luminosas son perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple
las leyes del choque elástico.
Refracción. Newton supuso que la superficie de separación de dos
medios de distinto índice de refracción ejercía una atracción sobre
las partículas luminosas, aumentando así la componente normal de
la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía
invariable.

19. Fallos de la teoría corpuscular de la luz
• Newton pensaba que la luz viajaba más rápido en los medios más
densos que en los medios menos densos, lo cual se ha comprobado
que no es así.
• La idea de que los diferentes colores de la luz tienen relación con el
tamaño de los corpúsculos no tiene ninguna justificación.
• Newton pensaba que la reflexión de la luz se debía a la repulsión entre
los corpúsculos y la superficie en la que se refleja; mientras que la
refracción está causada por la atracción entre los corpúsculos y la
superficie que los refracta. Sin embargo, esta afirmación se comprobó
incorrecta.
• Se sabe que, por ejemplo, los cristales reflejan y refractan la luz al
mismo tiempo, lo cual según la teoría de Newton implicaría que
atrajeran y repelieran al mismo tiempo la luz.
• La teoría corpuscular no puede explicar los fenómenos de difracción,
interferencia y polarización de la luz.

20. Teoría ONDULATORIA DE la LUZ. Fue idea del físico holandés
C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecánicas
emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba
un medio. A este medio se le llamó éter.
La energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como en la
teoría corpuscular sino que está repartida por todo el frente de onda. El
frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagación. La
teoría ondulatoria explica perfectamente los fenómenos luminosos
mediante una construcción geométrica llamada principio de Huygens.
además según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad
en los medios menos densos. a pesar de esto, la teoría de Huygens
fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton.

22. Pero, al igual que el modelo corpuscular existían algunas
cuestiones sin resolver en el modelo ondulatorio :
• Su afirmación de que cada punto de un frente de onda era a
su vez una fuente de una nueva onda, no permitía explicar
por qué la luz se propaga tanto hacia atrás como hacia
adelante.
• Igualmente la explicación del concepto de éter no resultaba
enteramente satisfactoria y fue una de las causas por la que
inicialmente no se aceptó su teoría.

23. Polarización: Las ondas electromagnéticas de la luz
vibran en muchas direcciones. Normalmente, todas las
ondas alcanzan el ojo. Un filtro polarizador colocado en una
lente hace que las ondas vibren solo en una dirección a
través de la lente para llegar al ojo; cualquier otro tipo de
ondas luminosas es absorbida por el filtro.

24. Un filtro polarizador con la orientación adecuada puede
absorber más de la mitad de los reflejos que produce la luz
sobre las superficies

25. La teoría ondulatoria, otra vez se encumbra
A principios del siglo XIX Young y Fresnel explican, mediante la
doble rendija, la interferencia de la luz apoyando de esta manera la
visión del modelo ondulatorio. El modelo corpuscular era incapaz de
explicar estos resultados.....
Varias rendijas

27. Onda electromagnética

28. La teoría electromagnética de Maxwell
En 1864 Maxwell, tratando de entender los experimentos de Faraday,
plantea las ecuaciones del electromagnetismo y demuestra
teóricamente que la luz es una onda electromagnética (no una onda
mecánica). Este punto fue confirmado experimentalmente por Hertz en
1888.
.
James Clerk Maxwell (1831-1879)

29. – La luz se comporta como una onda electromagnética
– las ondas electromagnéticas son ondas transversales
compuestas de un campo eléctrico y un campo magnético
perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de
propagación que se propagan a través del espacio,
transportando energía
!!Todas las ondas electromagnéticas viajan a la
velocidad de la luz!!

30. Espectro electromagnético

31. Espectro electromagnético

33. Cada color tiene una longitud de onda
Menor longitud de onda
Mayor longitud de onda

34. La revolución cuántica
En 1900 Max Planck resuelve la ley de emisión de un cuerpo
suponiendo que la energía está cuantizada. Einstein, en 1905, aplica el
mismo principio y explica el efecto fotoeléctrico. N.Bohr, en 1912,
explica el espectro de emisión del átomo de hidrógeno. Compton, en
1922, explica el efecto que lleva su nombre.
!!!! Se recupera así la teoría corpuscular de la luz !!!
Aparece el concepto de Fotón
El efecto fotoeléctrico

35. Efecto fotoeléctrico, estudiado por A. Einstein

36. Naturaleza dual de la luz
A principios de siglo XX se estaba por tanto en una situación
incómoda, parecía que la luz se comportaba en ocasiones como una
onda y en otras ocasiones como partícula.
La cuestión fue resuelta en 1925 por L. De Broglie, quien propuso que
el movimiento de todo corpúsculo viene regido por una onda asociada.
La confirmación experimental de esta idea constituye la base de la
mecánica cuántica.
L. De Broglie(1892-1987)

37. En resumen:
la luz se comporta como onda electromagnética en los
fenómenos de propagación , interferencias y difracción y
como corpúsculo en la interacción con la materia.
Es lo que se conoce como Naturaleza dual de la luz

38. ¿ Pero cuál es la velocidad de la luz?
A partir de Galileo, se sucedieron muchos experimentos para determinar
la velocidad de la luz. La primera medición científica de la velocidad de
la luz tuvo lugar en 1676 cuando el astrónomo danés Ole Romer,
mientras observaba las lunas de Júpiter, se percató que el lapso de
tiempo entre los eclipses de Júpiter con sus lunas se hacía más corto
cuando la Tierra se movía hacia Júpiter, y más largo cuando la Tierra se
alejaba. Este comportamiento anómalo tan sólo tenía sentido con una
velocidad de la luz finita.
Ole Romer(1644-1710)

39. Ole Romer realizó cálculos llegando a la conclusión que
la velocidad de la luz era de 214.000 km/s

40. En 1849, el físico francés H. Fizeau, modificando la idea original de
Galileo. Para ello, utilizó una rueda dentada de 720 dientes,
fabricada con gran precisión por Gustave Froment, que giraba a
una velocidad conocida y constante.
Por medio de un soplete de hidrógeno y oxígeno produjo una luz
muy brillante que dirigió a través de uno de los espacios que existe
entre dos dientes de la rueda. Así el rayo de luz sale de su
aparato, situado en Montmartre . Cuando la rueda se hace girar, el
rayo de luz se interrumpe al ir interponiéndose en su camino los
dientes de la rueda, que lo "corta en trozos" ("lo chopea"). Este rayo
de luz así "chopeado" se dirige a un espejo situado a 8.633 metros
de distancia, en el monte Valériene, que lo refleja de nuevo hacia la
rueda dentada, haciéndolo pasar en su camino de vuelta por el
mismo punto por el que ha pasado en el camino de ida.
Hippolyte Fizeau (1819-1896)

41. H. Fizeau mediante cálculos sencillos, en los que estaban
involucrados la distancia al espejo, la velocidad de la rueda y el
número de dientes de la misma , obtuvo que que la velocidad
de la luz es de 313.000 kilómetros por segundo, un valor mucho
más aproximado que el de 212.000 kilómetros por segundo
obtenido por Romer.

42. En 1862, su amigo, el científico Léon Foucault modificó el sistema
de Fizeau empleando un espejo giratorio en lugar de la rueda
dentada y obtuvo un valor mucho más preciso: 298 000 Km/s

43. En 1878, Albert Abraham Michelson ideó un
experimento para calcular la velocidad de la luz y
demostrar que efectivamente se trataba de una cantidad
finita y medible.
Mediante cálculos matemáticos Michelson calculó la velocidad
de la luz y obtuvo una cifra de 299.949,53 kilómetros por
segundo

44. Las microondas son ondas electromagnéticas, igual que la luz, y como
tales se mueven a la misma velocidad. Si quitamos el plato giratorio de
nuestro microondas y colocamos en él un plato con una tira de queso y
calentamos a baja potencia, conseguiremos que los puntos en los que
incide más energía se calienten primero y se derritan. La distancia entre
esos dos puntos es la distancia entre dos picos, es decir, la mitad de la
longitud de onda de la radiación. Por tanto sabiendo la frecuencia del
microondas calculamos la velocidad de la onda(osea de la luz)