Petrografía- Capítulo 4: Principales teorías sobre la naturaleza de la luz

Las teorías propuestas por los científicos para explicar la naturaleza de la luz han ido cambiando a lo largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas evidencias que permiten interpretar su comportamiento, como corpúsculo, onda, radiación electromagnética, cuanto o como la mecánica cuántica .

Teoría Corpuscular de Newton

Esta teoría fue presentada por Isaac Newton en su obra “Óptica” señalaba que “la luz consistía en un flujo de pequeñísimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes luminosas, que se movía en línea recta con rapidez. Gracias a esto, eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes, que permite ver a través de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos, los corpúsculos rebotaban, por lo cual no se puede observar a través de ellos”. Esta teoría lograba explicar tanto la propagación rectilínea de la luz como la reflexión de la luz, aunque no explicaba satisfactoriamente la refracción.

En 1666, previamente a enunciar su teoría, Newton había realizado su famoso experimento de descomposición de la luz en colores, lo cual se lograba al hacer que un haz de luz atravesara un prisma. La conclusión a la que llegó fue que la luz blanca está compuesta por el conjunto de los colores del arco iris, lo que en su modelo explicaba diciendo que los corpúsculos de la luz eran diferentes en función de su color.

• REFLEXIÓN: La reflexión es el fenómeno óptico por el cual cuando una onda (por ejemplo, la luz) incide oblicuamente sobre la superficie de separación entre dos medios, experimenta un cambio de dirección y es devuelta al primero junto con una parte de la energía del movimiento.

  

  Reflexión de una onda

• REFRAXIÓN: Por el contrario, la refracción es el fenómeno que se produce cuando una onda (por ejemplo, la luz) incide oblicuamente sobre el espacio de separación entre dos medios, con distinto índice de refracción. Cuando esto ocurre, la onda penetra y se transmite por el segundo de medio junto con una parte de la energía del movimiento. La refracción tiene lugar debido a la distinta velocidad a la que se propaga la onda en los dos medios.

  

  Refracción de una onda

Fallos de la teoría corpuscular de la luz

Newton pensaba que la luz viaja 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.
• La teoría corpuscular no puede explicar los fenómenos de difracción, interferencia y polarización de la luz.

Teoria Ondulatoria de Huygens

En la misma época que Newton, Christian Huygens (1629-1695) propuso la teoría ondulatoria en su obra “Treatise on light”. Supuso que la luz era emitida en todas las direcciones como un conjunto de ondas que necesitaba un soporte material para propagarse y que llamó éter. Con esta teoría se explicaban las leyes de la reflexión y de la refracción suponiendo que la velocidad de propagación era menor en los medios más densos.

Su teoría se basaba fundamentalmente en dos conceptos:

1. Una fuente luminosa emite ondas esféricas, de la misma manera que un movimiento ondulatorio en la superficie del agua emite ondas superficiales. Un rayo de luz está materializado por una recta perpendicular a la superficie de la onda.
2. Cada punto de una onda luminosa primaria se comporta como un centro emisor que a su vez emite ondas secundarias de la misma frecuencia y velocidad que las ondas primarias. La onda resultante es la envolvente de las ondas secundarias.

DIFRACCIÓN: La difracción es un fenómeno físico característico de las ondas (ocurre en todo tipo de ondas) que consiste en la desviación de las ondas cuando encuentran un obstáculo en su camino o atraviesan una rendija. 

Difracción de la Luz

EXPERIMENTO DE YOUNG: INTERFERENCIA

El experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, fue realizado en 1801 por Thomas Young, en un intento de discernir sobre la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente lejana al difractarse en el paso por dos rejillas, resultado que contribuyó a la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Experimento de Thomas Young.

Teoría Electromagnética de Maxwell

En 1864 el físico y matemático inglés J.C.Maxwell publicó la teoría electromagnética de la luz, en ella predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban con una velocidad de 3 x 108 m/s, obtenida a partir de las leyes de la electricidad y magnetismo y que coincidía con el valor de la velocidad propagación de la luz.

La variación del campo eléctrico produce un campo magnético también variable, lo que da lugar a una onda electromagnética que se propaga por el éter de manera que oscilan el campo eléctrico por un lado y el campo magnético por otro, aunque ambos campos guardan una relación entre ellos. Además, la velocidad de propagación deducida de las magnitudes del medio de propagación, coincide con la velocidad de la luz (unos 300.000 kilómetros por segundo). Por ello Maxwell lleva a cabo su famosa propuesta: "...por lo que tenemos poderosas razones para asegurar que la luz es una perturbación electromagnética".

Modelo de Onda Electromagnética.

Con esto se confirmaba teóricamente que la luz no es una onda mecánica sino una onda electromagnética que puede propagarse sin necesidad de un medio material.

Teoría corpuscular de la luz según Plank y Einstein.

El estudio de fenómenos como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos no se pudieron explicar con el modelo ondulatorio. Aunque la teoría ondulatoria explica la propagación de la luz, falla cuando se produce interacción con la materia.

En 1900 Max Plank, para obtener la ley de radiación del cuerpo negro, supuso que la emisión de luz no es de forma continua sino por cuantos discretos. La teoría cuántica de Plank permitió que en 1905, A. Einstein explicara el efecto fotoeléctrico y llamó fotones a los corpúsculos luminosos. El fotón al igual que otras partículas lleva consigo energía y momento desde la fuente, pero a diferencia de otras partículas, tales como protones o electrones, no posee masa en reposo. La intensidad de la radiación luminosa es directamente proporcional al número de fotones presentes, y la energía contenida en un fotón o cuanto de radiación está definida por:

Energía cuántica de un fotón.

Referencias

• Burke, John Robert (1999). Física: la naturaleza de las cosas. México DF: International Thomson Editores.
• Tipler, Paul Allen (1994). Física. 3ª Edición. Barcelona: Reverté.
• Mineralogía Óptica. Kerr, Paul F. Mc Graw-Hill. Ediciones Castilla.S.A. 1965. 3° Edición.
• Apuntes de Mineralogía Óptica. Cepeda-Dávila, Leovigildo. Facultad de Ingeniería, 1985.
• Curso de Mineralogía Optica. Pedro Miguel Gagliuffi Espinoza. Escuela de Ingeniería Geológica UNMSM, 2018.