Luz

Aldo Villalón

• Newton: es un haz de partículas

• Huygens: es una onda

• Debido a la gran fama de Newton su modelo departículas se acepta hasta el s. XVIII

• En el s. XIX se acepta el modelo ondulatorio

• S. XX: tiene propiedades de onda y partícula

Luz

Onda

Electromagnética(perturbación que

transmite energía)

Radiación

(emisión de energía)

Idea Moderna de la Luz

• Maxwell, 1860, describe todas las propiedades del electro-

magnetismo en 4 ecuaciones.

• Al combinar estas ecuaciones demuestra que los campos

eléctricos y magnéticos se propagan en el espacio.

• Son observados como ondas que viaja a 300,000 km. s-1

LUZLUZ

Naturaleza dual de la LUZ

Einstein (1905) propone que a veces la luz se comporta

como onda y otras como partícula.

Se basó en la observación de que es posible arrancar e- de la superficie demetales con haces de ondas cortas mientras con haces de longitudes máslargas esto no ocurría.Propuso la existencia de los fotones, paquetes de energía

Fotones de distintas longitudes de onda tienen distintas energías.Si ! es la longitud de onda, medida en Åh, constante de Planck, 6.6 x 10-34kg m2 s-1

c, velocidad de la luz en el vacío, 300000 km. s-1

Así pues: ¿ qué es la luz?

La luz es una radiación delespectro electromagnético quepodemos captar con nuestrosojos.

O dicho de otra manera:

La luz es la radiaciónelectromagnética que podemosver.

Spectrum of electromagnetic waves

Approximate frequency in Hertz (oscillations per second)

• Radio waves: 104

• Micro waves: 108

• Infrared: 1012

• Light: 1014

– red (wavelength = 700nm)

– orange

– yellow

– green (wavelength = 545nm)

– blue (= 440nm)

– violet (= 400nm)

• Ultraviolet: 1016

• X-rays: 1017

• Gamma rays: 1018

Rayos de Luz- Compuestos por fotones- Viajan en línea recta- No necesitan un medio para propagarse- Existen medios en los que no haypropagación Se disipan al atravesar unmedio

- ¿Partículas u ondas?AMBAS!!!

Luz como una

onda

Longitud de

onda -

distancia

desde:

- Cima a cima

- Valle a valle

o desde

Frequencia

- ciclos/seg

Luz como una onda

c = 3 x 108 m/s

124.018 km/sDiamante

189.873 km/sVidrio

229.182 km/sHielo

224.900 km/sAgua

299.912 km/sAire

Velocidad de

la luz

Sustancia

C = !"

Luz como una onda

Radiación y energía

• La mecánica cuántica determina que:

E = hf

• pero…

f = c/ !

• reemplazando…

E = hc/ !

alta f = alta E = corta !

baja f = baja E = larga !

El espectro electromagnético

Wavelength (m) Frequency (Hz) Energy (ev)

Radio 3 1 x 108 4.1 x 10-7

Microwave 2 x 10-2 1.5 x 1010 6.2 x 10-5

Infrared 4 x 10-4 7.5 x 1011 3.1 x 10-3

Visible 5 x 10-6 6 x 1013 0.25

Ultraviolet 1 x 10-7 3 x 1015 12.4

X-ray 8 x 10-11 3.75 x 1018 1.5 x 104

Gamma-ray 2.5 x 10-12 1.2 x 1020 4.95 x 105

•Opacos: no dejan pasar la luz .

-Absorción (colores de objetos húmedos o mojados)

-Reflexión

•Traslúcidos : no dejan ver bien las imágenes.

•Transparentes: se ve con toda nitidez.

Luz

• Reflexión

• Refracción

• Reflexión total

• Difracción

• Interferencia

• Polarización

Reflexión

• Una partícula que chocaelásticamente con una pared serefleja

• Las ondas también se reflejan

- ángulo de reflexión

=

ángulo de incidencia

Reflexión de la luz: leyes

1.El ángulo de reflexión es igual al deincidencia 2. El rayo reflejado, la normal y elincidente están en el mismo plano

Reflexión difusa

Índice de Refracción

• Cuando la luz pasa de un material a otro cambiade dirección: refracción

• Depende de las propiedades ópticas de los dosmedios --> caracterizadas por su índice derefracción: n

• n es un número: n=1 para el vacío, n=1.33 agua,n=2.42 diamante, n=1.5-1.9 vídrio …….

• El índice de refracción define la velocidad de laluz en el medio v=c/n

Conceptos geométricos:

-rayo incidente

-rayo refractado

-normal en el punto de incidencia

-ángulo incidente

-ángulo refractado

Las leyes de la refracción de Snell

• Si la luz viaja del material 1 con índice de refracción n1

al material 2 con índice de refracción n2 , las siguientesleyes determinan la dirección del rayo refractado:

!

1

2

!1

!2

El rayo incidente, la normalal punto de incidencia y elrayo refractado están todosen el mismo plano

n sen !1= n’ sen !2

Refracción

• Refracción como ondas:

- La frecuencia es la misma en los dosmateriales

- La velocidad de la onda es diferente enlos dos materiales v=c/n

- Cambia la longitud de ondas

- Existe una relación entre el ángulo deincidencia y el de refracción:

2211 )sin()sin( nn !! =

Reflexión interna total

• En la superficie de contacto de dosmateriales aparecen la reflexión y larefracción

• Bajo ciertas condiciones no hayrefracción --> ¡La reflexión es total!

• Sucede cuando la luz pasa a un mediocon un índice de refracción menor y elángulo de incidencia es mayor que uncierto ángulo crítico

!

1

2

!1

!2

Reflexión total: fibra óptica

•Guías de luz: son fibras ópticas usadas encomunicación, medicina, ciencia, decoración,fotografía….

Dispersión• El índice de

refracción de unmedio depende dela frecuencia delrayo de luz

• La luz violeta serefracta más quela roja ..…..

• Se puededescomponer laluz blanca en suscomponentes:prismas, arcoirís…

rojoviol nn >.

La Difracción.La Difracción.• Sea un frente de ondas recto que viaja en dirección

a una ventana o ranura.

¿Qué lesucede a laonda?

• ¿Continua viajando como se muestra en la figura?

• La respuesta es nono. Lo que le ocurre es...

La Difracción.La Difracción.

• La Difracción depende de la relación entre la longitud deonda (l) y el tamaño (d) de la ventana.

• Si d >>l, la difracción es poco notoria y ...

• Si d = l, la difracción es muy amplia.

La Difracción.La Difracción.

l

d

• La onda se abre en los bordes. Esto es la Difracción.

La Difracción.La Difracción.

" = # / D

• Consideremos una onda periódica producida por un generador puntual (A)

La Interferencia.La Interferencia.

A

MáximosMínimo

La Interferencia.La Interferencia.• Consideremos consideremos dos generadores puntuales A y B

A

B

Punto en que sesuman dosmáximos.

Punto en que sesuman dosmínimos.

La Interferencia.La Interferencia.

A

B

Puntos en que unmáximo y un mínimo seanulan; pero comolos frentes de ondasse mueven, no se tratade puntos; sino que....

LaLa

Interferencia.Interferencia.

¿Se podrá hacer interferencia con luz

siguiendo las ideas anteriores?

Interferencia + Difracción (T. Interferencia + Difracción (T. YoungYoung))

Interferencia + Difracción (T. Interferencia + Difracción (T. YoungYoung))

Diapositiva

Retina

Interferencia + Difracción (T. Interferencia + Difracción (T. YoungYoung))

sombra

sombra

luz

Polarización

Detección de la luz

Conos

• Activos ante luz brillante y

colores.

• Hay 3 tipos principales

(iodopsina).

• Segmento externo con forma

de cono.

• Permiten la percepción del

color y otorgan agudeza

visual

Bastones

• Actividad ante luz

tenue.

• Segmento externo

presenta

invaginaciones

formando discos, los

que contienen

rodopsina.

Espectroscopía

• Paso de luz a través de unprisma

• Los elementos químicos tienenuna marca particular eindividual en el espectroelectromagnético

Planetary Detection

Muchos físicos creen que entienden que es la luz.

Yo he pasado toda mi vida tratando de entenderla y

aún no lo logro…

Albert Einstein