La luz (del latin lux , lucis ) es la parte de la radiacion electromagnetica que puede ser percibida por el ojo humano . ^{[ 1 ]} ​ En fisica , el termino luz se considera una onda electromagnetica oscilante o en movimiento que nos permite ver objetos, como parte del campo de las radiaciones conocido como espectro electromagnetico , mientras que la expresion luz visible senala especificamente la radiacion en el espectro visible . La luz, como todas las radiaciones electromagneticas, esta formada por particulas elementales desprovistas de masa denominadas fotones , ^{[ 2 ]} ​ cuyas propiedades de acuerdo con la dualidad onda-particula explican las caracteristicas de su comportamiento fisico. En ocasiones, la luz oscila en una orientacion particular y se le llama luz polarizada la cual es indistinguible de la no polarizada para el ojo humano. Se trata de una onda esferica . ^{[ 3 ]} ​

La optica es la rama de la fisica que estudia el comportamiento de la luz, sus caracteristicas y sus diferentes manifestaciones.

Velocidad finita [ editar ]

Se ha demostrado de manera teorica y experimental que la luz tiene una velocidad finita. La primera medicion con exito fue hecha por el astronomo danes Ole Roemer en 1676 y desde entonces numerosos experimentos han mejorado la precision con la que se conoce el dato. Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la luz en el vacio es de 299 792 458  m/s . ^{[ 4 ]} ​

La velocidad de la luz al propagarse a traves de la materia es menor que a traves del vacio y depende de las propiedades dielectricas del medio y de la energia de la luz. La relacion entre la velocidad de la luz en el vacio y en un medio se denomina indice de refraccion del medio: ${\displaystyle n={\frac {c}{v}}}$.

Refraccion [ editar ]

La refraccion es la variacion brusca de direccion que sufre la luz al cambiar de medio. Este fenomeno se debe a que la luz se propaga a diferentes velocidades segun el medio por el que viaja. El cambio de direccion es mayor cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz recorre mayor distancia en su desplazamiento por el medio en que va mas rapido. La ley de Snell relaciona el cambio de angulo con el cambio de velocidad por medio de los indices de refraccion de los medios.

Como la refraccion depende de la energia de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromatica a traves de un medio con caras no paralelas, como un prisma , se produce la separacion de la luz en sus diferentes componentes (colores) segun su energia, en un fenomeno denominado dispersion refractiva . Si el medio tiene las caras paralelas, la luz se vuelve a recomponer al salir de el.

Ejemplos muy comunes de la refraccion es la ruptura aparente que se ve en un lapiz al introducirlo en agua o el arcoiris .

Propagacion y difraccion [ editar ]

Una de las propiedades de la luz mas evidentes a simple vista es que se propaga en linea recta . Lo podemos ver, por ejemplo, en la propagacion de un rayo de luz a traves de ambientes polvorientos o de atmosferas saturadas. La optica geometrica parte de esta premisa para predecir la posicion de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su transmision.

De la propagacion de la luz y su encuentro con objetos surgen las sombras . Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuacion una pantalla, obtendremos sobre ella la sombra del cuerpo. Si el origen de la luz o foco se encuentra lejos del cuerpo, de tal forma que, relativamente, sea mas pequeno que el cuerpo, se producira una sombra definida. Si se acerca el foco al cuerpo surgira una sombra en la que se distinguen una region mas clara denominada penumbra y otra mas oscura llamada umbra .

Sin embargo, la luz no siempre se propaga en linea recta. Cuando la luz atraviesa un obstaculo puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se curva ligeramente. Este fenomeno, denominado difraccion , es el responsable de que al mirar a traves de un agujero muy pequeno todo se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un numero de aumentos maximo limitado.

Interferencia [ editar ]

La forma mas sencilla de estudiar el fenomeno de la interferencia es con el denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromatica que significa de un solo color en una pantalla que tiene una rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.

El fenomeno de las interferencias se puede ver tambien de forma natural en las manchas de aceite sobre los charcos de agua o en la cara con informacion de los discos compactos ; ambos tienen una superficie que, cuando se ilumina con luz blanca, la difracta , produciendose una cancelacion por interferencias, en funcion del angulo de incidencia de la luz, de cada uno de los colores que contiene, permitiendo verlos separados, como en un arcoiris .

Reflexion y dispersion [ editar ]

Al incidir la luz en un cuerpo, la materia de la que esta constituido retiene unos instantes su energia y a continuacion la reemite en todas las direcciones. Este fenomeno es denominado reflexion . Sin embargo, en superficies opticamente lisas, debido a interferencias destructivas , la mayor parte de la radiacion se pierde, excepto la que se propaga con el mismo angulo que incidio. Ejemplos simples de este efecto son los espejos , los metales pulidos o el agua de un rio (que tiene el fondo oscuro).

La luz tambien se refleja por medio del fenomeno denominado reflexion interna total , que se produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un medio en que su velocidad es mas lenta a otro mas rapido, con un determinado angulo. Se produce una refraccion de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejandose completamente. Esta reflexion es la responsable de los destellos en un diamante tallado.

En el vacio, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda del espectro visible, pero cuando atraviesa sustancias materiales la velocidad se reduce y varia para cada una de las distintas longitudes de onda del espectro, este efecto se denomina dispersion . Gracias a este fenomeno podemos ver los colores del arcoiris. El color azul del cielo se debe a la luz del sol dispersada por la atmosfera . El color blanco de las nubes o el de la leche tambien se debe a la dispersion de la luz por las gotitas de agua o por las particulas de grasa en suspension que contienen respectivamente.

Polarizacion [ editar ]

El fenomeno de la polarizacion se observa en unos cristales determinados que individualmente son transparentes. Sin embargo, si se colocan dos en serie, paralelos entre si y con uno girado un determinado angulo con respecto al otro, la luz no puede atravesarlos. Si se va rotando uno de los cristales, la luz empieza a atravesarlos alcanzandose la maxima intensidad cuando se ha rotado el cristal 90° sexagesimales respecto al angulo de total oscuridad .

Tambien se puede obtener luz polarizada a traves de la reflexion de la luz. La luz reflejada esta parcial o totalmente polarizada dependiendo del angulo de incidencia. El angulo que provoca una polarizacion total se llama angulo de Brewster .

Muchas gafas de sol y filtros para camaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos.

Efectos quimicos [ editar ]

Algunas sustancias al absorber luz, sufren cambios quimicos ; utilizan la energia que la luz les transfiere para alcanzar los niveles energeticos necesarios para reaccionar, para obtener una conformacion estructural mas adecuada para llevar a cabo una reaccion o para romper algun enlace de su estructura ( fotolisis ).

La fotosintesis en las plantas , que generan azucares a partir de dioxido de carbono , agua y luz; la sintesis de vitamina D en la piel ; la ruptura de dihalogenos con luz en las reacciones radicalarias o el proceso de vision en el ojo , producido por la isomerizacion del retinol con la luz, son ejemplos de reacciones fotoquimicas. El area de la quimica encargada del estudio de estos fenomenos es la fotoquimica .

Aproximacion historica [ editar ]

A principios del siglo  XVIII era creencia generalizada que la luz estaba compuesta de pequenas particulas. Fenomenos como la reflexion, la refraccion y las sombras de los cuerpos , se podian esperar de torrentes de particulas. Isaac Newton demostro que la refraccion estaba provocada por el cambio de velocidad de la luz al cambiar de medio y trato de explicarlo diciendo que las particulas aumentaban su velocidad al aumentar la densidad del medio. La comunidad cientifica, consciente del prestigio de Newton, acepto su teoria corpuscular.

En la cuneta quedaba la teoria de Christian Huygens que en 1678 propuso que la luz era un fenomeno ondulatorio que se transmitia a traves de un medio llamado eter . Esta teoria quedo olvidada hasta la primera mitad del siglo  XIX , cuando Thomas Young solo era capaz de explicar el fenomeno de las interferencias, suponiendo que la luz fuese en realidad una onda. Otros estudios de la misma epoca explicaron fenomenos como la difraccion y la polarizacion teniendo en cuenta la teoria ondulatoria.

El golpe final a la teoria corpuscular parecio llegar en 1848, cuando se consiguio medir la velocidad de la luz en diferentes medios y se encontro que variaba de forma totalmente opuesta a como lo habia supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los cientificos aceptaron que la luz tenia una naturaleza ondulatoria. Sin embargo, todavia quedaban algunos puntos por explicar, como la propagacion de la luz a traves del vacio, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio fisico, y la luz viajaba incluso mas rapido que en el aire o el agua. Se suponia que este medio era el eter del que hablaba Huygens, pero nadie lo conseguia encontrar.

En 1845, Michael Faraday descubrio que el angulo de polarizacion de la luz se podia modificar aplicandole un campo magnetico ( efecto Faraday ), proponiendo dos anos mas tarde que la luz era una vibracion electromagnetica de alta frecuencia. James Clerk Maxwell , inspirado por el trabajo de Faraday, estudio matematicamente estas ondas electromagneticas y se dio cuenta de que siempre se propagaban a una velocidad constante, que coincidia con la velocidad de la luz, y de que no necesitaban medio de propagacion, ya que se autopropagaban. La confirmacion experimental de las teorias de Maxwell elimino las ultimas dudas que se tenian sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.

No obstante, a finales del siglo  XIX , se fueron encontrando nuevos efectos que no se podian explicar suponiendo que la luz fuese una onda, como, por ejemplo, el efecto fotoelectrico , esto es, la emision de electrones de las superficies de solidos y liquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el proceso de absorcion y emision de energia por parte de la materia solo se podian explicar si uno asumia que la luz se componia de particulas. Entonces la ciencia llego a un punto muy complicado e incomodo: se conocian muchos efectos de la luz, sin embargo, unos solo se podian explicar si se consideraba que la luz era una onda, y otros solo se podian explicar si la luz era una particula.

El intento de explicar esta dualidad onda-particula, impulso el desarrollo de la fisica durante el siglo  XX . Otras ciencias, como la biologia o la quimica , se vieron revolucionadas ante las nuevas teorias sobre la luz y su relacion con la materia.

Naturaleza de la luz [ editar ]

La luz presenta una naturaleza compleja: depende de como la observemos se manifestara como una onda o como una particula . Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios (vease dualidad onda corpusculo ). Sin embargo, para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza, podemos clasificar los distintos fenomenos en los que participa segun su interpretacion teorica:

Teoria ondulatoria [ editar ]

Descripcion [ editar ]

Esta teoria, desarrollada por Christiaan Huygens , considera que la luz es una onda electromagnetica , consistente en un campo electrico que varia en el tiempo generando a su vez un campo magnetico y viceversa, ya que los campos electricos variables generan campos magneticos ( ley de Ampere ) y los campos magneticos variables generan campos electricos ( ley de Faraday ). De esta forma, la onda se autopropaga indefinidamente a traves del espacio, con campos magneticos y electricos generandose continuamente. Estas ondas electromagneticas son sinusoidales , con los campos electrico y magnetico perpendiculares entre si y respecto a la direccion de propagacion.

Para poder describir una onda electromagnetica podemos utilizar los parametros habituales de cualquier onda :

• Amplitud ( A ) : Es la longitud maxima respecto a la posicion de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento.
• Periodo ( T ) : Es el tiempo necesario para el paso de dos maximos o minimos sucesivos por un punto fijo en el espacio.
• Frecuencia ( ν ) : Numero de oscilaciones del campo por unidad de tiempo. Es una cantidad inversa al periodo.
• Longitud de onda ( λ ) : Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas.
• Velocidad de propagacion ( V ) : Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagacion de la luz en el vacio, se representa con la letra c .

La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda estan relacionadas por las siguientes ecuaciones:

${\displaystyle v=\lambda \cdot \ f={\frac {\lambda }{T}}}$

Fenomenos ondulatorios [ editar ]

Algunos de los fenomenos mas importantes de la luz se pueden comprender facilmente si se considera que tiene un comportamiento ondulatorio.

El principio de superposicion de ondas nos permite explicar el fenomeno de la interferencia : si juntamos en el mismo lugar dos ondas con la misma longitud de onda y amplitud, si estan en fase (las crestas de las ondas coinciden) formaran una interferencia constructiva y la intensidad de la onda resultante sera maxima e igual a dos veces la amplitud de las ondas que la conforman. Si estan desfasadas, habra un punto donde el desfase sea maximo (la cresta de la onda coincida exactamente con un valle) formandose una interferencia destructiva , anulandose la onda. El experimento de Young , con sus rendijas, nos permite obtener dos focos de luz de la misma longitud de onda y amplitud, creando un patron de interferencias sobre una pantalla.

Las ondas cambian su direccion de propagacion al cruzar un obstaculo puntiagudo o al pasar por una abertura estrecha. Como recoge el principio de Fresnel - Huygens , cada punto de un frente de ondas es un emisor de un nuevo frente de ondas que se propagan en todas las direcciones. La suma de todos los nuevos frentes de ondas hace que la perturbacion se siga propagando en la direccion original. Sin embargo, si por medio de una rendija o de un obstaculo puntiagudo, se separa uno o unos pocos de los nuevos emisores de ondas, predominara la nueva direccion de propagacion frente a la original.

La difraccion de la luz se explica facilmente si se tiene en cuenta este efecto exclusivo de las ondas. La refraccion , tambien se puede explicar utilizando este principio , teniendo en cuenta que los nuevos frentes de onda generados en el nuevo medio, no se transmitiran con la misma velocidad que en el anterior medio, generando una distorsion en la direccion de propagacion:

Otro fenomeno de la luz facilmente identificable con su naturaleza ondulatoria es la polarizacion . La luz no polarizada esta compuesta por ondas que vibran en todos los angulos, al llegar a un medio polarizador, solo las ondas que vibran en un angulo determinado consiguen atravesar el medio, al poner otro polarizador a continuacion, si el angulo que deja pasar el medio coincide con el angulo de vibracion de la onda, la luz pasara integra, si no solo una parte pasara hasta llegar a un angulo de 90° entre los dos polarizadores, donde no pasara nada de luz.

Este efecto, ademas, permite demostrar el caracter transversal de la luz (sus ondas vibran en direccion perpendicular a la direccion de propagacion).

El efecto Faraday y el calculo de la velocidad de la luz , c , a partir de constantes electricas ( permitividad , ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$) y magneticas ( permeabilidad , ${\displaystyle \mu _{0}}$) por parte de la teoria de Maxwell :

${\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}}$

confirman que las ondas de las que esta compuesta la luz son de naturaleza electromagnetica. Esta teoria fue capaz, tambien, de eliminar la principal objecion a la teoria ondulatoria de la luz, que era encontrar la manera de que las ondas se trasladasen sin un medio material.

Teorias corpusculares [ editar ]

Descripcion [ editar ]

La teoria corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de particulas sin carga y sin masa llamadas fotones , capaces de transportar todas las formas de radiacion electromagnetica. Esta interpretacion resurgio debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energia solo en cantidades discretas (multiplos de un valor minimo) de energia denominadas cuantos . Este hecho es dificil de combinar con la idea de que la energia de la luz se emita en forma de ondas, pero es facilmente visualizado en terminos de corpusculos de luz o fotones.

Fenomenos corpusculares [ editar ]

Existen tres efectos que demuestran el caracter corpuscular de la luz. Segun el orden historico, el primer efecto que no se pudo explicar por la concepcion ondulatoria de la luz fue la radiacion del cuerpo negro .

Un cuerpo negro es un radiador teoricamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en el y por eso, cuando se calienta se convierte en un emisor ideal de radiacion termica , que permite estudiar con claridad el proceso de intercambio de energia entre radiacion y materia. La distribucion de frecuencias observadas de la radiacion emitida por la caja a una temperatura de la cavidad dada, no se correspondia con las predicciones teoricas de la fisica clasica. Para poder explicarlo, Max Planck , al comienzo del siglo  XX , postulo que para ser descrita correctamente, se tenia que asumir que la luz de frecuencia ν es absorbida por multiplos enteros de un cuanto de energia igual a hν , donde h es una constante fisica universal denominada: constante de Planck .

${\displaystyle \displaystyle E=h\nu }$

En 1905, Albert Einstein utilizo la teoria cuantica recien desarrollada por Planck para explicar otro fenomeno no comprendido por la fisica clasica: el efecto fotoelectrico . Este efecto consiste en que cuando un rayo monocromatico de radiacion electromagnetica ilumina la superficie de un solido (y, a veces, la de un liquido), se desprenden electrones en un fenomeno conocido como fotoemision o efecto fotoelectrico externo. Estos electrones poseen una energia cinetica que puede ser medida electronicamente con un colector con carga negativa conectado a la superficie emisora. No se podia entender que la emision de los llamados ≪ fotoelectrones ≫ fuese inmediata e independiente de la intensidad del rayo. Eran incluso capaces de salir despedidos con intensidades extremadamente bajas, lo que excluia la posibilidad de que la superficie acumulase de alguna forma la energia suficiente para disparar los electrones. Ademas, el numero de electrones era proporcional a la intensidad del rayo incidente. Einstein demostro que el efecto fotoelectrico podia ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba formada de fotones de energia hν , parte de esta energia hν ₀ se utilizaba para romper las fuerzas que unian el electron con la materia, el resto de la energia aparecia como la energia cinetica de los electrones emitidos:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv_{\mathrm {max} }^{2}=h(\nu -\nu _{0})}$

donde m es la masa del electron, v _max la velocidad maxima observada, ν es la frecuencia de la luz iluminante y ν ₀ es la frecuencia umbral caracteristica del solido emisor.

La demostracion final fue aportada por Arthur Compton que observo como al hacer incidir rayos X sobre elementos ligeros, estos se dispersaban con menor energia y ademas se desprendian electrones (fenomeno posteriormente denominado en su honor como efecto Compton ). Compton, ayudandose de las teorias anteriores, le dio una explicacion satisfactoria al problema, tratando la luz como particulas que chocan elasticamente con los electrones como dos bolas de billar. El foton , corpusculo de luz, golpea al electron: el electron sale disparado con una parte de la energia del foton y el foton refleja su menor energia en su frecuencia. Las direcciones relativas en las que salen despedidos ambos estan de acuerdo con los calculos que utilizan la conservacion de la energia y el momento.

Otro fenomeno que demuestra la teoria corpuscular es la presion luminosa .

Teorias cuanticas [ editar ]

La necesidad de reconciliar las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnetico, que describen el caracter ondulatorio electromagnetico de la luz, con la naturaleza corpuscular de los fotones, ha hecho que aparezcan varias teorias que estan aun lejos de dar un tratamiento unificado satisfactorio. Estas teorias incorporan, por un lado, la teoria de la electrodinamica cuantica , desarrollada a partir de los articulos de Dirac , Jordan , Heisenberg y Pauli , y, por otro lado, la mecanica cuantica de de Broglie , Heisenberg y Schrodinger .

Paul Dirac dio el primer paso con su ecuacion de ondas que aporto una sintesis de las teorias ondulatoria y corpuscular, ya que siendo una ecuacion de ondas electromagneticas, su solucion requeria ondas cuantizadas, es decir, particulas. Su ecuacion consistia en reescribir las ecuaciones de Maxwell de tal forma que se pareciesen a las ecuaciones hamiltonianas de la mecanica clasica. A continuacion, utilizando el mismo formalismo que, a traves de la introduccion del cuanto de accion hν, transforma las ecuaciones de mecanica clasica en ecuaciones de mecanica ondulatoria, Dirac obtuvo una nueva ecuacion del campo electromagnetico. Las soluciones a esta ecuacion requerian ondas cuantizadas, sujetas al principio de incertidumbre de Heisenberg , cuya superposicion representaban el campo electromagnetico . Gracias a esta ecuacion podemos conocer una descripcion de la probabilidad de que ocurra una interaccion u observacion dada, en una region determinada.

Existen aun muchas dificultades teoricas sin resolverse, sin embargo, la incorporacion de nuevas teorias procedentes de la experimentacion con particulas elementales , asi como de teorias sobre el comportamiento de los nucleos atomicos , nos han permitido obtener una formulacion adicional de gran ayuda.

Efectos relativistas [ editar ]

Sin embargo, existian aun algunas situaciones en las que la luz no se comportaba segun lo esperado por las teorias anteriores.

Luz en movimiento [ editar ]

La primera de estas situaciones inexplicables se producia cuando la luz se emitia, se transmitia o se recibia por cuerpos o medios en movimiento. Era de esperar, segun la fisica clasica, que la velocidad en estos casos fuese el resultado de sumar a la velocidad de la luz , la velocidad del cuerpo o del medio. Sin embargo, se encontraron varios casos en los que no era asi:

En 1818, Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad a la que la luz atravesaba un liquido en movimiento. Para ello, se haria atravesar a la luz una columna de un liquido que fluyese a una velocidad v relativa al observador. Conociendo la velocidad v' a la que se trasmite la luz a traves de ese medio, a traves del indice de refraccion (n), se calculo que la velocidad total de la luz en ese fluido seria:

${\displaystyle \displaystyle v_{t}=v'+v}$

Sin embargo, cuando en 1851, el fisico frances Hippolyte Fizeau llevo a cabo el experimento, comprobo que la velocidad a la que la luz atravesaba el liquido en movimiento no era la calculada sino:

${\displaystyle v_{t}=v'+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

es decir, que la velocidad del fluido contaba menos en la velocidad final si la velocidad con la que atravesaba la luz ese fluido era mayor.

En 1725, James Bradley descubrio que la posicion observada de las estrellas en el firmamento variaba anualmente con respecto a la posicion real en un intervalo de 41 segundos de arco . La teoria que propuso para explicarlo fue que esta variacion se debia a la combinacion de la velocidad de la tierra al rotar alrededor del sol con la velocidad finita de la luz. Gracias a esta teoria fue capaz de calcular la velocidad de la luz de una forma aceptable. Basandose en este efecto, el astronomo ingles George Airy comparo el angulo de aberracion en un telescopio antes y despues de llenarlo de agua, y descubrio que, en contra de sus expectativas, no habia diferencia en sus mediciones (la luz no variaba de velocidad a pesar de que el fluido se movia a la velocidad de la tierra).

Teniendo en cuenta este experimento, los fisicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley propusieron un experimento (vease Experimento de Michelson y Morley ) para medir la velocidad a la que fluia el eter con respecto a la Tierra. Suponian que el eter se movia en una direccion concreta con una velocidad determinada, por eso, debido a la translacion de la Tierra alrededor del Sol habria epocas del ano en el que tendriamos una componente de esa velocidad a favor y otras epocas en contra, por lo que supusieron que cuando lo tuviesemos a favor, la velocidad de la luz seria superior y cuando lo tuviesemos en contra seria inferior. Para ello midieron la velocidad de la luz en diferentes estaciones del ano y observaron que no habia ninguna diferencia. Y lo mas curioso: que ni siquiera habia diferencias debidas a la propia velocidad de translacion de la Tierra ( 30 km/s ).

En 1905, Albert Einstein dio una explicacion satisfactoria con su teoria de la relatividad especial , en la que, en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isotropa , es decir, independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente.

Distorsiones espectrales [ editar ]

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 esos cuerpos, se observa que no son iguales, ya que las lineas espectrales procedentes del espacio estan desplazadas hacia posiciones de mayor longitud de onda, es decir, hacia el lado rojo del espectro en lugares de menor energia.

Se han encontrado dos tipos diferentes de desplazamientos de lineas espectrales:

Desplazamiento nebular

Uno, el mas comun, llamado desplazamiento nebular es un desplazamiento sistematico de los espectros procedentes de las estrellas y galaxias. Edwin Hubble tras estudiar el corrimiento de los espectros de las nebulosas, lo interpreto como el resultado del efecto Doppler debido a la expansion continua del universo . Gracias a esto propuso una formula capaz de calcular la distancia que nos separa de un cuerpo determinado analizando el corrimiento de su espectro:

${\displaystyle {\frac {\Delta \lambda }{\lambda }}=1,7\cdot 10^{-9}d}$

donde Δλ es la diferencia entre las longitudes de onda del espectro del cuerpo y la esperada, λ es la longitud de onda esperada y d , la distancia en parsecs .

Desplazamiento gravitacional

El otro, mucho mas extrano, se llama desplazamiento gravitacional o efecto Einstein, observado en espectros de cuerpos extremadamente densos. El ejemplo mas famoso es el espectro del llamado companero oscuro de Sirio . La existencia de este companero fue predicha por Friedrich Bessel en 1844 basandose en una perturbacion que observo en el movimiento de Sirio, pero debido a su debil luminosidad, no fue descubierto hasta 1861. Este companero es una enana blanca que tiene una masa comparable a la del Sol, pero en un radio aproximadamente cien veces menor, por lo que su densidad es inmensa (61 000 veces la del agua). Al estudiarse su espectro, se observa un desplazamiento de 0,3  A de la linea ß de la serie Balmer del hidrogeno .

Teoria de la relatividad general [ editar ]

Para que su anterior teoria de la relatividad especial abarcase tambien los fenomenos gravitatorios, Albert Einstein , entre 1907 y 1915, desarrollo la teoria de la relatividad general . Una de las principales conclusiones de esta teoria es que la gravedad influye en la propagacion de la luz, representada en la teoria por el potencial gravitatorio Φ, descrito por:

${\displaystyle \Phi ={\frac {-GM}{R}}}$

donde G es la Constante de gravitacion universal , M la masa y R la distancia al objeto que genera el campo gravitatorio.

Einstein encontro que la luz, al pasar por un campo gravitatorio de potencial Φ sufria una disminucion de su velocidad, segun la formula:

${\displaystyle c=c_{0}\left(1+{\frac {\Phi }{c_{0}^{2}}}\right)}$

donde c ₀ es la velocidad de la luz sin campo gravitatorio y c es la velocidad con el.

Tambien se ve modificada la frecuencia de la luz emitida por una fuente en un campo gravitatorio

${\displaystyle \nu =\nu _{0}\left(1+{\frac {\Phi }{c_{0}^{2}}}\right)}$

lo que explica el desplazamiento gravitacional. Otro ejemplo que confirma experimentalmente este punto de la teoria son las lineas espectrales del sol , que estan desplazadas hacia el rojo en un valor de dos millonesimas cuando se comparan con las generadas por los mismos elementos en la Tierra .

Por ultimo, en esta relacion entre luz y gravedad, esta teoria predijo que los rayos de luz al pasar cerca de un cuerpo pesado se desviaban en un angulo α determinado por el efecto de su campo gravitatorio, segun la relacion:

${\displaystyle \alpha ={\frac {4GM}{c^{2}R}}}$

Este punto de la teoria se pudo confirmar experimentalmente estudiando el desvio de la luz que provocaba el sol. Para comprobarlo, los cientificos estudiaron la posicion de las estrellas del area alrededor del sol aprovechando un eclipse en 1931. Se vio que, como predecia la teoria, estaban desviadas hasta 2,2 segundos de arco comparadas con fotos de la misma area realizadas 6 meses antes.

Radiacion y materia [ editar ]

Al formular su ecuacion de ondas para un electron libre, Paul Dirac predijo que era posible crear un par de electrones (uno cargado positivamente y otro negativamente) a partir de un campo electromagnetico que vibrase extremadamente rapido. Esta teoria fue rapidamente confirmada por los experimentos de Irene Curie y Frederic Joliot y por los de James Chadwick , Stuart Blackett y Giuseppe Occhialini al comparar el numero de electrones con carga negativa y el numero de electrones con carga positiva (estos ultimos llamados positrones ) desprendidos por los rayos γ de alta frecuencia al atravesar delgadas laminas de plomo y descubrir que se obtenia la misma cantidad de unos que de los otros.

Pronto se encontraron otras formas de crear pares positron-electron y hoy en dia se conocen una gran cantidad de metodos:

• Haciendo chocar dos particulas pesadas.
• Haciendo pasar a un electron a traves del campo de un nucleo atomico .
• La colision directa de dos electrones.
• La colision directa de dos fotones en el vacio .
• La accion del campo de un nucleo atomico sobre un rayo γ emitido por el mismo nucleo.

Tambien ocurre el proceso en sentido contrario: al colisionar un electron y un positron (ellos solos tienden a juntarse, ya que tienen cargas electricas opuestas), ambos se aniquilan convirtiendo toda su masa en energia radiante. Esta radiacion se emite en forma de dos fotones de rayos γ dispersados en la misma direccion, pero diferente sentido.

Esta relacion entre materia-radiacion, y viceversa (y sobre todo la conservacion de la energia en esta clase de procesos) esta descrita en la famosa ecuacion de Albert Einstein :

${\displaystyle \displaystyle E=mc^{2}}$

enmarcada en la teoria de la relatividad especial y que originalmente formulo asi:

Si un cuerpo de masa m desprende una cantidad de energia E en forma de radiacion, su masa disminuye E / c ²

Albert Einstein en Zur Elektrodynamik bewegter Korper . ^{[ 5 ]} ​

Teorias de campo unificado [ editar ]

Actualmente, se busca una teoria que sea capaz de explicar de forma unificada la relacion de la luz, como campo electromagnetico , con el resto de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Las primeras teorias intentaron representar el electromagnetismo y la gravitacion como aspectos de la geometria espacio-tiempo , y aunque existen algunas evidencias experimentales de una conexion entre el electromagnetismo y la gravitacion, solo se han aportado teorias especulativas.

Espectro electromagnetico [ editar ]

El espectro electromagnetico esta constituido por todos los posibles niveles de energia que la luz puede tener. Hablar de energia es equivalente a hablar de longitud de onda ; asi, el espectro electromagnetico abarca tambien todas las longitudes de onda que la luz pueda tener, desde miles de kilometros hasta femtometros . Ese es el motivo de que la mayor parte de las representaciones esquematicas del espectro suelan tener escala logaritmica .

El espectro electromagnetico se divide en regiones espectrales, clasificadas segun los metodos necesarios para generar y detectar los diversos tipos de radiacion. Por eso estas regiones no tienen unos limites definidos y existen algunos solapamientos entre ellas.

Espectro visible [ editar ]

De todo el espectro, la porcion que el ser humano es capaz de ver es muy pequena en comparacion con las otras regiones espectrales. Esta region, denominada espectro visible , comprende longitudes de onda desde los 380 nm hasta los 780 nm. El ojo humano percibe la luz de cada una de estas longitudes de onda como un color diferente, por eso, en la descomposicion de la luz blanca en todas sus longitudes de onda, por prismas o por la lluvia en el arco iris , el ojo ve todos los colores.

Vease tambien [ editar ]

• Laser
• Lente
• Optica
• Vista
• Velocidad de la luz
• Estetica de la luz
• Luz en el arte
• Luz en la pintura

Referencias [ editar ]

Bibliografia [ editar ]

• Atkins, Peter; de Paula, Julio (2002). ≪Quantum theory: introduction and principles≫. Physical Chemistry . New York: Oxford University Press . 0-19-879285-9 .  
• Skoog, Douglas A.; Holler, F. James; Nieman, Timothy A. (2001). ≪Introduccion a los metodos espectrometricos≫. Principios de Analisis instrumental. 5ª Edicion . Madrid: McGraw-Hill. 84-481-2775-7 .  
• Tipler, Paul Allen (1994). Fisica. 3ª Edicion . Barcelona: Reverte. 84-291-4366-1 .  
• Burke, John Robert (1999). Fisica: la naturaleza de las cosas . Mexico DF: International Thomson Editores. 968-7529-37-7 .  

Enlaces externos [ editar ]

• Wikimedia Commons alberga una galeria multimedia sobre Luz .
• Wikiquote alberga frases celebres de o sobre Luz .
• Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre luz .