Unidad iii – tema 7

UNIDAD III – TEMA 7
ÓPTICA2ºINTRODUCCIÓN
FÍSICA BACHILLERATO
:


ÓPTICA : INTRODUCCIÓN


1. NATURALEZA DE LA LUZ
CONTRADICCIÓN HISTÓRICA
• Dejando de lado las ideas más antiguas sobre la naturaleza
de la luz, los máximos protagonistas de esta historia son
Isaac Newton y Cristian Huygens.
• Ambos científicos fueron contemporáneos y llegaron a
conocerse en 1689. Un año más tarde aparece la obra de
Huygens, mientras que Newton publica su obra en 1704.
• En sus obras aparecen las dos teorías clásicas ondulatoria y
corpuscular sobre la naturaleza de la luz.


A- TEORÍA CORPUSCULAR de NEWTON
• 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.
• La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos:
– Propagación rectilínea. La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se mueven a gran
velocidad.
– 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. El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de
distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil
explicación con la teoría corpuscular. Sin embargo 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.

ES DECIR, QUE PARA CONFIRMAR SU TEORÍA PROPUGNABA
QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA ERA MAYOR
QUE EN EL AIRE.


B- TEORÍA ONDULATORIA de HUYGENS
• 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 material de gran elasticidad, impalpable, que todo lo llena, incluyendo el
vacío, puesto que la luz también se propaga en él : EL 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 (recordar principio de Huygens).
• Según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos
densos. SU TEORÍA PROPUGNABA QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA
ERA MENOR QUE EN EL AIRE (COMPROBADO POR FOUCAULT EN 1850)
• A pesar de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la
gran autoridad de Newton.
• Los experimentos de Young y Fresnel sobre interferencias y difracción, ya en 1827,
apoyaron esta teoría.


B- TEORÍA ONDULATORIA: PUNTOS FUERTES Y DÉBILES
• PUNTOS FUERTES DE LA TEORÍA ONDULATORIA
– Sostenía que la velocidad de la luz en medios más densos (agua) era menor que en los
menos densos (aire), lo que se comprobó como cierto y desechaba la teoría corpuscular
– El experimento de Young sobre interferencias apoyaba la versión ondulatoria
– Explicaba la reflexión, difracción, interferencias y polarización de la luz
EXPERIMENTO DE YOUNG
• PUNTOS DÉBILES DE LA TEORÍA ONDULATORIA
– Las ondas (hasta el momento) necesitaban un medio para su propagación. ¿Qué pasa en
el vacío?(espacio). La luz también se propaga - > Se “inventa” el ETER. Fallo: Para
explicar la gran velocidad de propagación de la luz, sería necesario que el Eter fuera un
medio muy rígido, pero NO PUEDE SER, puesto que no ofrece resistencia al movimiento
de los planetas.


C- TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA de MAXWELL y HERTZ
• En 1864 Maxwell obtuvo una serie de ecuaciones fundamentales del
electromagnetismo y predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Maxwell
supuso que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas
electromagnéticas

• Experimentalment Hertz confirmó, 15 años después, la existencia de estas ondas.
• Estas ondas podrían ser reflejadas, refractadas, concentradas por una lente,
polarizadas, podían propagarse EN EL VACÍO (NO HACE FALTA “ÉTER”)
• Por todo esto, hasta finales del S XIX se creía que ya se sabía como era la luz….
¡CRASO ERROR!... Pues esta teoría de la luz como ONDA ELECTROMAGNÉTICA no
explicaba varios fenómenos observados más adelante, como el EFECTO
FOTOELÉCTRICO ó el EFECTO COMPTON.


EFECTO FOTOELÉCTRICO
• El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una
frecuencia suficientemente elevada. Hertz lo observó de una forma algo indirecta al realizar sus experimento en 1887 y
dejó constancia de él, pero no le dio demasiada importancia.
• En el efecto fotoeléctrico se observaba que si un haz de luz incidía en una placa de metal producía electricidad en el
circuito. Presumiblemente, la luz liberaba los electrones del metal, provocando su flujo.
• Sin embargo, mientras que una luz azul débil era suficiente para provocar este efecto, la más fuerte e intensa luz roja
no lo provocaba. De acuerdo con la teoría ondulatoria, la fuerza o amplitud de la luz se hallaba en proporción con su
brillantez: La luz más brillante debería ser más que suficiente para crear el paso de electrones por el circuito. Sin
embargo, extrañamente, no lo producía.
• Einstein , en 1905, llegó a la conclusión de que los electrones eran expelidos fuera del metal por la incidencia de
pequeños paquetes llamados fotones. Cada fotón individual acarreaba una cantidad de energía , que se encontraba
relacionada con la frecuencia f. VUELTA A LA TEORÍA CORPUSCULAR.
• Sólo los fotones con una frecuencia alta (por encima de un valor umbral específico) podían provocar la corriente de
electrones (frecuencia alta = λ baja). Por ejemplo, la luz azul emitía unos fotones con una energía suficiente para
arrancar los electrones del metal, mientras que la luz roja no. Una luz más intensa por encima del umbral mínimo
puede arrancar más electrones, pero ninguna cantidad de luz por debajo del mismo podrá arrancar uno solo, por muy
intenso que sea su brillo.
EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
• Esta explicación del efecto fotoeléctrico dio a Einstein el Premio Nobel en 1921 ( no la teoría de la relatividad).


POSTURA ACTUAL – DUALIDAD
• Con la hipótesis de Einstein-Planck, CRISIS: En el marco de la física clásica el modelo
ondulatorio y el corpuscular de la luz -> INCOMPATIBLES. Pero:
– Modelo ondulatorio de Maxwell explicaba reflexión, refracción, descomposición en colores,
difracción, interferencias, efecto Doppler, polarización,
– Modelo corpuscular explicaba muchos nuevos hechos como el efecto fotoeléctrico, el efecto
Compton, la radiación del cuerpo negro,..
• En 1924, el físico francés De Broglie (1892-1987), obsesionado por el problema de los cuantos, tuvo la
intuición de que el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz era extensible a todas las
partículas materiales (Premio nobel de Física en 1929). BASES DE LA FÍSICA CUÁNTICA.

• Para la física moderna la luz tiene naturaleza
dual, corpuscular y ondulatoria: se trata de
dos aspectos diferentes de la misma cuestión
que no solo no se excluyen sino que se
complementan.
VIDEO RESUMEN CONTRADICCIÓN HISTÓRICA


2. VELOCIDAD DE LA LUZ
HISTORIA E IMPORTANCIA
• Ya hemos visto la importancia de la medición de la velocidad de la luz para el
esclarecimiento de la naturaleza de la luz.
• Primeros intentos:
GALILEO 1667 – DOS CERROS: CORRECTO PERO IMPRECISO
Consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas
que se encontraban a 1 km de distancia. Su idea consistía en
medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la
distancia entre los experimentadores situados en las colinas.
Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz,
destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el
experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz
procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer
ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores.

• Aunque el método es correcto, la velocidad de la luz es muy alta y el tiempo a medir era
incluso más pequeño que las fluctuaciones de la respuesta humana. Galileo no pudo
obtener un valor razonable para la velocidad de la luz


APROXIMACIONES HISTÓRICAS
1676 Olaf Romer (1644-1710) determina la velocidad
de la luz mediante la observación de los eclipses de los
satélites de Júpiter. 214.000 km/s

1849 Hippolyte Fizeau : Un rayo de luz se
dirigía a un espejo a cientos de metros de
distancia. En su trayecto de la fuente hacia el
espejo, el rayo pasaba a través de un
engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación,
el rayo pasaría a través de un orificio en su
camino de salida y en otro en su camino de
regreso. Pero en niveles ligeramente
menores, el rayo se proyectaría en uno de los
dientes y no pasaría a través de la rueda.
Conociendo la distancia hacia el espejo, el
número de dientes del engrane, y el índice de
rotación, se podría calcular la rapidez de la
luz 313.000 km/s


APROXIMACIONES HISTÓRICAS
1862 Leon Foucault mejora el método de Fizeau al
reemplazar el engranaje con un espejo rotatorio. El
valor estimado por Foucault, fue de 298.000 km/s

Hoy en día está considerada c (velocidad de la luz
en el vacío) como:

c= 299.792,4 km/s

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