Un trabajo acerca de la luz: que es, el espectro electromagnetico, la velocidad de la luz, efecto doppler, reflexion, refraccion, dispersion, difraccion, naturaleza de la luz, luz como ondas, luz como particulas, efecto fotoelectrico, efecto compton, descubrimiento del foton, fotones y ondas, laser.

1. 05
Cecilia Calderón Cervantes
Aranza Herrera Martínez
Marieta Malo Torres Trueba
Mariana Martínez Urióstegui
UNIVERSIDAD PANAMERICANA
ESCUELA DE INGENIERÍA

2. P. 3………………………………………………………………………………………………..Luz
P. 4……………………………………………………...……………..Espectro Electromagnético
P. 5…………………………………………………………………..………….Velocidad de la luz
P. 6………………………………………………………………………….……….Efecto Doppler
P. 6……………………………………………………………………...………Reflexión de la Luz
P. 9……………………………………………………………………………Refracción de la Luz
P. 10…………………………………………………………………………..Dispersión de la Luz
P. 11……………………………………………………………………….…..Difracción de la Luz
P. 11…………………………………………………………………..………Naturaleza de la Luz
P. 12…………………………………………………………Luz como ondas electromagnéticas
P. 12……………………………………………………………………..……..Luz como partícula
P. 13………………………………………………………………..…………..Efecto fotoeléctrico
P. 13………………………………………………………………………………..Efecto Compton
P. 14……………………………………………………………………..Descubrimiento del fotón
P. 15…………………………………………………………………….…………Fotones y ondas
P. 15……………………………….…………..Experimento que muestra que la luz son ondas
P. 15……………………………….……….Experimento que muestra la existencia de fotones
P. 16……………………………………………………………………………………….……Laser
P.17………………………………………………………………………………….…..Bibliografía
2

3. a
Una radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos
oscilantes que se propagan a través del espacio llevando energía de un lugar a otro.
La luz es un tipo de radiación electromagnética, ésta es capaz de afectar al sentido de la
vista y se distingue de otras radiaciones por su energía; sin embargo su naturaleza no es
formalmente distinta.
A finales del siglo XVII se propusieron dos teorías para explicar la naturaleza de la luz,
una fue la teoría de las partículas (corpuscular), defendida principalmente por Isaac
Newton y la otra fue la teoría ondulatoria apoyada por Christian Huygens, matemático y
científico holandés. Con estas teorías se intentaba explicar las principales características
de la luz; las más importantes fueron:
1. Propagación rectilínea: La luz viaja en línea recta.
2. Reflexión: cuando la luz incide en una superficie lisa, regresa a su medio original.
3. Refracción: La trayectoria de la luz cambia cuando penetra a un medio
transparente.
Según la teoría corpuscular, las partículas muy pequeñas se emitían por fuentes
luminosas como el sol y viajaban hacia fuera en líneas rectas a gran velocidad y al entrar
al ojo se estimulaba la vista. También se pensaba que se producían sombras con
contornos bien definidos, mientras que las ondas pueden flexionarse alrededor de los
bordes a lo cual se le conoce como difracción. Hyugens en cambio dijo que si la luz era
realmente una serie de ondas con una longitud de onda corta, se produciría una sombra
bien definida ya que el grado de flexión sería pequeño.
El principio de Huygens establece que: “Cada punto de un frente de onda que avanza
puede considerarse una fuente de ondas secundarias llamadas pequeñas ondas. La
nueva posición del frente de onda envuelve a las pequeñas ondas emitidas desde todos
los puntos del frente de onda en su posición previa.”
Cuando se descubrió la interferencia y al difracción de la luz en 1801 y 1816 se apoyó la
teoría ondulatoria de Huygens.
Se creía que todos los fenómenos ondulatorios requerían de un medio de transmisión; sin
embargo no se conocía lo que transportaba a la luz hasta que Maxwell demostró con su
trabajo que una carda acelerada puede radiar ondas electromagnéticas en el espacio.
Explico que la energía de una onda se divide en partes iguales entre los campos
eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí. De esta forma una onda de luz se
propagaría a través de campos oscilatorios transversales.
H. R. Hertz confirmó la teoría de Maxwell cuando probó que la radiación de la energía
electromagnética se puede dar en cualquier frecuencia.
En 1887 A. A. Michelson, físico estadounidense, demostró que la velocidad de la luz era
constante independientemente del movimiento de la fuente.
3

4. a
La palabra espectro viene del latín y significa forma o aspecto. Newton la usó para
describir la imagen de un arco iris que se produce cuando un haz de luz solar cruza un
prisma de vidrio.
El espectro electromagnético es la representación de los distintos tipos de radiación
electromagnética clasificadas por su frecuencia o longitud de onda.
Las propiedades de estas radiaciones difieren de sus medios de producción y de las
formas en las que las observamos pero pueden ser descritas en función de los campos
eléctricos y magnéticos pero se desplazan con la misma velocidad.
El espectro electromagnético es contínuo, no hay separaciones entre un tipo de onda y
otro.
La luz es región visible del espectro más común, su fuente más cercana es el sol y sus
límites de longitud de onda están entre 400namómetros1 (violeta) y 700 nm (rojo). Puede
ser emitida por un conjunto de átomos disgregados, como un gas, en el cual la luz es una
característica de las propiedades.
Las fuentes de luz visibles dependen del movimiento de electrones.
Todos los objetos emiten radiación electromagnética que se le conoce radiación térmica,
la del Sol es visible y se le conoce como incandescente; sin embargo también los objetos
fríos pueden emitir luz y a este fenómeno se le conoce como luminiscencia. Este
fenómeno se puede deber por varias causas; cuando la energía responsable de excitar a
los átomos se origina en una reacción química se le conoce como quimiolumiscencia.
Éste efecto puede ocurrir también en seres vivos como las luciérnagas y lleva el nombre
de bioluminiscencia.
El espectro electromagnético es el rango de todas las radiaciones electromagnéticas
posibles; se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo
de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren
longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo.
Las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y
energía alta; las ondas de frecuencia baja tienen una longitud de onda larga y energía
baja.
Siempre que las ondas de luz (y otras ondas electromagnéticas) se encuentran en un
medio (materia), su longitud de onda se reduce.
La radiación electromagnética se clasifica por la longitud de onda en:
 Ondas de radio: Se usan para la transmisión de datos, a través de la modulación.
La televisión, los teléfonos móviles, las resonancias magnéticas, o las redes
inalámbricas y de radio-aficionados, son algunos usos populares de las ondas de
radio.
1
Se define como la millonésima parte de un metro.
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5.  Microondas: Las microondas son absorbidas por la moléculas que tienen un
momento dipolar en líquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para
calentar la comida.
 Infrarroja: La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura
sea mayor que 0 Kelvin
 Luz visible: Este es el rango en el que el Sol y las estrellas similares a él emiten la
mayor parte de su radiación
 Rayos ultravioleta: Al ser muy energética, la radiación ultravioleta puede romper
enlaces químicos, haciendo a las moléculas excepcionalmente reactivas o
ionizándolas, lo que cambia su comportamiento.
 Rayos X: Se usan generalmente para ver a través de algunos objetos, así como
para la física de alta energía y la astronomía. Los rayos X pasan por la mayor parte
de sustancias, y esto los hace útiles en medicina e industria
 Rayos gamma: Son los fotones más energéticos, y no se conoce el límite más bajo
de su longitud de onda.
a
Según la teoría de Maxwell; todas las ondas electromagnéticas se desplazan con la
misma velocidad por el espacio vacío y a esto se le conoce como “velocidad de la luz”.
Es la constante más utilizada en física y su determinación exacta representa una de las
mediciones más precisas que ha logrado el hombre. Su magnitud es de aproximadamente
186 000 mi/s.
Galileo fue de los primeros en intentar medir la velocidad de la luz en 1667.
La mayoría de las fuentes de luz emiten energía electromagnética distribuída en múltiples
longitudes de onda. El flujo luminoso es la parte de la potencia radiante total emitida por
una fuente de luz que es capaz de afectar el sentido de la vista.
La luz viaja Radialmente hacia fuera en líneas rectas desde una fuente que es pequeña.
Para una fuente de luz de este tipo, el flujo luminos incluido en unángulo sólido
permanece igual a cualquier distancia de la fuente, es más útil hablar del flujo por unidad
de ángulo sólido que solamente del flujo total. Esta relación se le conoce como intensidad
luminosa.
5

6. La iluminación de una superficie A se define como el flujo de luminoso F por unidad de
área.
a
El efecto doppler es el fenómeno que existe por la relación entre la velocidad y la longitud
de onda.
Este efecto par la luz la frecuencia se percibe como "color". El azul es de más alta
frecuencia que el rojo, por lo que si la fuente de ondas se acerca, su color se corre
hacia al azul, mientras que si se aleja lo hace hacia el rojo. Así, si el objeto
estuviera emitiendo luz amarilla, al acercarse se vería verdoso, mientras que al
alejarse se vería anaranjado. El efecto es más acusado cuanta mayor sea la
velocidad relativa de la fuente de luz respecto al observador.
ƒ = ƒo 1 / (1 + υ/ν)
En esta ecuación Ƒo es la frecuencia escuchada cuando la fuente se halla en reposo
y ν es la velocidad del sonido; el cambio producido por el momento relativo es lo que
conocemos como efecto Doppler.
Si la fuente esta en reposo en el medio transmisor pero el observador se aleja de ella con
una velocidad υ, la frecuencia es: (υ se sustituye por ν)
Ƒ = ƒ0 (1 – υ / ν )
(onda sonora, fuente fija, observador que se aleja)
El efecto Doppler causa que las longitudes de onda de luz provenientes de objetos se
alejen de la Tierra, se alarguen o cambien de dirección y se dirijan al extremo rojo
(longitud de onda larga) des espectro visible.
El efecto Doppler relativista es el cambio observado en la frecuencia de la luz procedente
de una fuente en movimiento relativo con respecto al observador.
La velocidad de la luz en el espacio vacío tiene el mismo valor para cualquier observador
sin importar su movimiento relativo.
En este efecto hay un movimiento relativo de alejamiento que se obtiene con la siguiente
formula:
Ƒo = ƒs √( (1 – ν / c) / (1 + ν / c)
Y la de acercamiento:
Ƒo = ƒs √( (1 + ν / c) / (1 - ν / c)
Otra forma de este efecto es el efecto doppler transversal que ocurre cuando ya sea la
fuente o el observador se mueve de manera perpendicular a la línea que los conecta.
f
La reflexión de la luz es el cambio de dirección que tienen los rayos luminosos cuando
chocan con la superficie de los objetos; así, la luz que se refleja sigue expandiéndose por
el mismo medio que llega.
La reflexión se representa con 2 rayos, que en realidad es el mismo rayo luminoso
mientras se refleja: primero llega a la superficie (y es llamado rayo incidente) y el segundo
es el que se ve cuando rebota y se refleja (y es llamado rayo reflejado). Si se traza una
recta perpendicular a la superficie (una recta normal) del objeto donde sucede la reflexión,
6

7. se puede ver que el rayo incidente forma un ángulo con la recta, que se le llama ángulo
de incidencia.
La reflexión siempre cumple con las siguientes características: El rayo incidente, el rayo
reflejado y la normal con la que se ve en ángulo se encuentran en un plano que es
perpendicular a la superficie; y el ángulo que forma el rayo incidente es igual al ángulo
que forma el rayo reflejado.
Observemos el siguiente ejemplo, en el cual la luz de un laser se hace rebotar sobre un
espejo plano:
Nótese que el rayo incidente, es decir, la luz que expulsa el laser, se encuentra sobre el
mismo plano que el rayo reflejado; la normal es la línea perpendicular al plano, es decir,
donde se produce el punto de incidencia de la luz e inicia la reflexión. También hay que
remarcar que el ángulo de incidencia, marcado con una i, y el ángulo de reflexión,
marcado con una j, (ambos medidos entre la normal y el rayo) son iguales. Con esto
podemos concluir que si cumple con las características de la reflexión.
Gracias a la reflexión es que en realidad podemos ver las cosas que nos rodean, ya que
la luz se refleja en todos ellos y ésta llega a nuestros ojos. Pero no se da de la misma
manera en todos los objetos, ya que por ejemplo, hay objetos como los espejos o metales
pulidos donde podemos reflejarnos y vernos a nosotros mismos, pero hay otros como una
hoja de papel donde no podemos vernos.
Hay dos leyes que influyen principalmente en la reflexión de la luz sobre los objetos. Una
de ellas es la Ley de Lambert, que es un método matemático que expresa cómo la
materia absorbe luz. Ésta ley nos dice que la cantidad de luz que se refleja, está
disminuida por 3 fenómenos físicos: la concentración, o cantidad de material de absorción
en la trayectoria del rayo; la distancia de la trayectoria óptica, o distancia que la luz debe
atravesar a través del objeto; y la absorbencia / coeficiente de extinción o la probabilidad
de que el rayo sea absorbido por el material.
Se puede calcular mediante la fórmula A = ε d c, donde A es la absorbencia, ε es el
coeficiente molar de extinción, d es la distancia y c la concentración molar.
Otra de las leyes es la Ley de la Reflexión, la cual clasifica en diferentes tipos a la
reflexión que se da sobre los objetos:
La reflexión especular, en la que la superficie en la que se está reflejando el objeto es
perfectamente lisa, y por ello los rayos que se reflejan salen en una misma dirección. Éste
tipo de reflexión es como la que se vio en el ejemplo del laser. Por ejemplo, los espejos,
7

8. los objetos con superficies pulidas y el agua cuando está en calma (espejos de agua).
Cabe mencionar que los espejos pueden ser planos, cóncavos o convexos.
La reflexión difusa, que es cuando la superficie del objeto es rugosa o granulosa, así que
los rayos no se reflejan en una dirección, sino en diferentes direcciones. Los objetos y sus
formas los percibimos gracias a este tipo de reflexión.
A partir de estas dos reflexiones básicas se pueden hacer muchas combinaciones. A
continuación presentaremos 3:
La reflexión extendida, que tiene un componente direccional dominante que se difunde
por partes gracias a las irregularidades que pueden existir en la superficie.
La reflexión mixta, que es una combinación entre la reflexión especular, la reflexión difusa
y la reflexión extendida. En realidad, éste tipo de reflexión se da en la mayoría de los
materiales de la vida real. En la imagen se puede ver como tiene un rayo incidente, que
rebota hacia muchas direcciones, como en la reflexión difusa; en un mismo ángulo, como
en la reflexión especular, y a su vez en una dirección dominante, como en la reflexión
extendida.
8

9. Y la reflexión esparcida, que no puede asociarse con la Ley de la Reflexión Regular ni con
la Ley de Lambert, pero se puede explicar por la imagen siguiente:
En la que podemos ver que tiene su rayo incidente, que primero se refleja con un mismo
ángulo, como en la reflexión especular; y el rayo incidente también se reflejará en
distintas direcciones, como en la reflexión difusa, pero provocando un menor número de
rayos reflejados. Observemos el siguiente ejemplo, en el cual la luz de un laser se hace
rebotar sobre un espejo plano:
Nótese que el rayo incidente, es decir, la luz que expulsa el laser, se encuentra sobre el
mismo plano que el rayo reflejado; la normal es la línea perpendicular al plano, es decir,
donde se produce el punto de incidencia de la luz e inicia la reflexión. También hay que
remarcar que el ángulo de incidencia, marcado con una i, y el ángulo de reflexión,
marcado con una j, (ambos medidos entre la normal y el rayo) son iguales.
f
La refracción es el cambio de dirección de los rayos luminosos. Esto sucede cuando
pasan de un medio a otro y por ello viajan con diferente velocidad. Un ejemplo sería que
el rayo luminoso pasara del aire al agua, donde vemos que la luz se desvía o refracta, o
los lentes, que desvían la luz para que la visión se vea afectada positivamente, es decir,
que podamos ver lo muy pequeño, lo muy lejano, etc.
La refracción siempre cumple con las siguientes características: La normal, el rayo
refractado y el rayo incidente siempre están en un mismo plano. También el rayo
refractado comienza a acercarse a la normal cuando pasa de un medio en el que puede
viajar con mayor velocidad a un medio en el que puede viajar con menor velocidad. Si es
al revés, el rayo refractado comienza a alejarse de la normal.
Se conoce como índice de refracción a la relación entre la velocidad de la luz en el vacio
(o en el aire) y el medio en el que puede viajar el rayo. Se calcula mediante la fórmula
n = c / v, en donde n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v
9

10. es la velocidad de la luz en el medio material que se quiere saber. A continuación se
presenta una tabla de la velocidad de la luz en distintos medios:
Para entender mejor, planteemos un ejemplo. El índice de refracción del agua es de
n = 1.33, con lo que podemos deducir que la luz es 1.33 veces más rápida en el vacío que
en el agua. Generalmente cuando la luz llega a una superficie en donde puede haber
separación, hay al mismo tiempo reflexión y refracción; un ejemplo de esto sería una
ventana. Cuando estamos viendo a través de una ventana y es de día, nosotros podemos
ver la luz del exterior, pero al mismo tiempo podemos ver nuestro reflejo en el vidrio ya
que la luz también refleja sobre nosotros. Cuando es de noche y prendemos una lámpara,
la persona que esté viendo desde afuera podrá ver nuestra luz, pero al mismo tiempo que
nosotros podemos ver el reflejo de la luz en el vidrio.
Así como hay un índice de refracción, también hay un ángulo de refracción. Éste es el
ángulo con el que se desvía la luz cuando entra al diferente medio. Si la luz pasa de un
medio más rápido a uno más lento, entonces el ángulo de refracción es menor al ángulo
de incidencia. Si la luz pasa de un medio con mayor índice de refracción a uno con menor
índice de refracción, el ángulo de refracción será mayor que el de incidencia. Si el ángulo
de incidencia es mayor que el ángulo límite (que es de 24.44°) no hay refracción, sino lo
que se llama reflexión total.
Gracias a este fenómeno de la refracción total se puede pasar luz a través de pequeños
tubos de diferentes materiales, llamados fibras ópticas, que se utilizan en muchos campos
de la ciencia y tecnología. Por ejemplo en la medicina para ver órganos internos sin
necesidad de cirugías complejas, o en las telecomunicaciones para transmitir audio y
video.
La refracción está dirigida por la Ley de Snell, que nos dice que el producto del índice de
refracción por el seno del ángulo de incidencia es constante para cualquier rayo de luz
incidiendo sobre la superficie separadora de 2 medios, y se puede calcular con la fórmula
n1 sen i = n2 sen r, donde n1 es el índice de refracción del medio del que viene, i es el
ángulo de incidencia, n2 es el índice de refracción del medio en el que se refracta y r es el
ángulo de refracción. Aunque ésta ley fue formulada para explicar la refracción, se puede
aplicar en cualquier tipo de onda que atraviese una superficie de separación entre 2
medios en los que su velocidad de viaje varíe.
f
La dispersión es una manifestación de la refracción. Como sabemos, la luz blanca está
conformada por una mezcla de colores, y cuando un rayo de luz blanca atraviesa un
medio dispersor (por ejemplo, un prisma, como se vio en el experimento de laboratorio),
10

11. entonces los colores se separarán, ya que tienen diferentes índices de refracción. Un
ejemplo muy claro es el de un arcoíris, en donde podemos observar los colores que
componen a la luz blanca, y la luz se separa cuando atraviesa las gotas de agua.
La causa de la dispersión es que el índice de refracción disminuye cuando aumenta la
longitud de onda, así que las ondas más largas (rojo) se desvían menos que las cortas
(azul).
f
La difracción es el dobléz o la dispersión de las ondas que mientras están viajando se
encuentran con un objeto. Éste fenómeno se da en todo tipo de ondas, no solo en la luz.
Para que suceda la difracción, el tamaño del objeto debe ser el orden de la longitud de las
ondas incidentes, es decir, cuando la longitud de onda es más chica que el objeto, la
difracción puede pasar desapercibida y el objeto proyectara su sombre bien definida.
Este fenómeno se lleva a cabo en base al tamaño y curvado de las ondas al atravesar
una ranura.
e
La naturaleza de la luz ha sido interpretada de diversas maneras:
1. Compuesta por corpúsculos que viajaban por el espacio en línea recta.
(Teoría corpuscular - Newton - 1670)
2. Ondas similares a las del sonido que requerían un medio para transportarse (el éter)
(Teoría Ondulatoria - Huygens - 1678, Young, Fresnel)
3. Ondas electromagnéticas al encontrar sus características similares a las ondas de radio
(Teoría electromagnética - Maxwell - 1860)
4. Como paquetes de energía llamados cuantos
(Plank).
11

12. Finalmente Broglie en 1924 unifica la teoría electromagnética y la de los cuantos
demostrando la doble naturaleza de la luz.
e
La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden
propagar en el vacío se llaman ondas electromagnéticas.
La radiación electromagnética consiste en una oscilación perpendicular de un campo
eléctrico y magnético. La radiación electromagnética transporta energía de un punto a
otro, esta radiación se mueve a la velocidad de la luz.
Las ondas de radiación electromagnética se componen de crestas y valles. La distancia
entre dos crestas o valles se denomina longitud de onda (λ). La frecuencia de la onda
está determinada por las veces que ella corta la línea de base en un tiempo determinado,
las propiedades de la radiación dependen de ella y está dada en Hertz. La amplitud de
onda esta definida por la distancia que separa el pico de la cresta o valle de la línea de
base (A). La energía que transporta la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud.
Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una
superficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan más
que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden
por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz.
Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy
pulida, como la de un espejo.
La luz visible, es decir las ondas electromagnéticas para las cuales el ojo humano está
adaptado, se encuentran entre longitudes de onda entre los 400 nm (ondas de color
violeta) y 700 nm (ondas de color rojo). Como lo predijeron las ecuaciones de Maxwell,
existen longitudes de onda por encima y por debajo de estos limites. Estas formas de "luz
invisible" se han encontrado y organizado de acuerdo a sus longitudes en el espectro
electromagnético.
e
La teoría ondulatoria de Maxwell no explicaba todas las propiedades de la luz. Decía que
la energía de una onda luminosa dependía solamente de su intensidad, no de su
frecuencia, pero diversos experimentos demostraron que la energía aportada por la luz a
los átomos dependía sólo de su frecuencia y no de su intensidad. Por ejemplo, algunas
reacciones químicas eran provocadas únicamente por luz con una frecuencia mayor que
un valor determinado; si la frecuencia no alcanzaba dicho valor, la reacción no se
producía, independientemente de la intensidad que tuviera la luz.
La luz se comporta como una partícula cuando interacciona con los átomos. Un átomo
siempre absorbe una cantidad determinada de energía o quantum de energía luminosa.
Como la interacción implica una cantidad de energía fija, la luz se comporta como una
partícula denominada fotón. Midiendo la frecuencia de los fotones los científicos pueden
12

13. determinar que tipo de átomos los emitieron y si proceden de la tierra, el sol o de galaxias
lejanas. A la mayoría de los objetos los vemos por la luz que reflejan.
En 1905 Einstein, basándose en el trabajo innovador de Max Planck quien estudió la
radiación térmica, propuso que la luz podría realmente existir como haces discretos de
energía a los que llamó fotones. El fotón no tiene masa, tampoco posee carga eléctrica y
no se desintegra espontáneamente en el vacío.
e
Si dejamos que una luz monocromática incida sobre una superficie metálica, los
electrones pueden ser arrojados de ella. Los electrones se emiten con unos intervalos
definidos de velocidades.
El efecto fotoeléctrico consiste en que los electrones de la superficie de algunos metales
se desprenden cuando se hace incidir la luz sobre ellos. Se descubrió que éstos
electrones tenían una energía que nunca superaba una cantidad máxima.
Si se usaba un luz más intensa se producían más electrones pero no se aumentaba su
energía. Este hecho era inexplicable con la teoría de ondas ya que, según ella, si se
utilizaba una luz de mayor frecuencia debería aumentar también la energía de los
electrones desprendidos.
Einstein planteó que los electrones sólo absorbían un cuanto de energía, es decir un
fotón, de manera que si se aumenta la frecuencia de la luz incidente se consigue que se
desprenda mayor número de electrones por unidad de tiempo, pero su energía no
aumentará porque todos ellos han absorbido la misma cantidad: un fotón.
e
Una demostración interesante de la naturaleza corpuscular (con fotones) de la luz fue
ofrecida por Arthur Compton en el año 1922.
13

14. El fenómeno en pocas palabras era el siguiente: cuando los rayos X incidían en la
superficie de un cristal (mineral), salían reflejados con una longitud de onda mayor, o lo
que es lo mismo una frecuencia menor, dependiendo del ángulo de reflexión.
Compton concluyó que este fenómeno se podía entender si se piensa en los rayos X
como fotones individuales, es decir como pequeñas bolas de billar que golpean contra
otras (los núcleos y los electrones del elemento que compone el cristal). El cambio
energético del fotón en la colisión significa, de acuerdo al postulado de Planck, un cambio
en la frecuencia (un aumento de la longitud de onda). Esta variación es fácilmente
detectable y corrobora la idea de que la energía es proporcional a la frecuencia. Según la
teoría ondulatoria de la luz, no existían razones que pudieran explicar el porqué de este
cambio de frecuencia en la interacción entre ciertas radiaciones electromagnéticas y la
materia (los electrones que la componen).
b
En los experimentos realizados en el año 1974 y en 1986, se pudo obtener resultados
precisos en el los cuales los fotones no se explican mediante los conceptos de ondas.
El primer experimento se compuso de una fuente de luz F, que emitía un haz de luz que
incidía posteriormente en un divisor (el divisor se encarga de dividir el haz en dos
subhaces uno reflejado y y uno transmitido x), a continuación, los subhaces que contienen
la mitad de la intensidad y contienen la energía mínima igual a la de un fotón, se reflejan
en un detector D1 y D2 respectivamente y finalmente en una terminal T donde se registra
la salida electrónica de los haces.
14

15. Para comprobar la existencia de los fotones se tiene que cumplir lo siguiente: en una de
las terminales T se tiene que recibir un pulso mientras que en el mismo instante en el otro
no se tendría que recibir pulso, a esto se le llamó anticoincidencias.
Este experimento no mostró resultados convincentes debido a ciertos problemas, pero en
el trabajo de P. Grainger, G. Roger y A. Aspect se eliminaron las deficiencias agregando
una fuente de fotones designados y se obtuvieron los resultados de anticoincidencias
esperados.
b
Los resultados de los experimentos anteriores mostraron dos resultados diferentes, en los
cuales ambos resultados se contradicen: en el experimento de la ranura doble se muestra
que la luz es una onda y en el experimento en el que se obtienen anticoincidencias
explica que la luz se considera como un fotón.
Para explicar mejor la naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz se realiza un
experimento que relaciona las hipótesis anteriores.
b
La prueba se realiza con una fuente de fotones F (como la del experimento anterior) que
emite un haz que incide en un divisor V1 (la acción realizada por los fotones en el divisor
es que un fotón tendrá 50% de posibilidad de ser transmitido y 50% de ser reflejado),
nuevamente se obtienen dos subhaces x y y, ambos haces se reflejan en los espejos E1 y
E2 respectivamente. En el experimento el espejo E1 no se encuentra fijo, por lo que puede
moverse atrás y adelante. Después se recombinan como una acción resultante en el
segundo divisor V2. Los resultados obtenidos por los haces de luz en función de la
posición del espejo E1 muestran unas franjas de interferencia, esto concluye que la luz es
una onda.
b
Para demostrar que la luz se compone de fotones, se utiliza el mismo método anterior,
pero se elimina el segundo divisor V2 evitando la recombinación del haz de luz. Y los
15

16. resultados obtenidos son los patrones de anticoincidencias que apoyan la existencia de
los fotones.
Suponiendo que la luz se compone solo de fotones o de ondas se realiza lo siguiente: se
quita el divisor V2 en la trayectoria del haz antes de que el fotón llegue a este y en otro
caso se introduce el divisor. Con esto se comprueba que el divisor V 2 puede ser
introducido hasta el último momento en el que fotón lo pasa y se obtendrá que la luz es
una onda. Pero también, se puede quitar el divisor V 2 hasta antes de que el fotón lo pase
y se obtendrá que la luz es un fotón.
En ambos casos se puede concluir que la luz no es una combinación de ambas, es decir,
que no es de naturaleza exclusivamente corpuscular ni ondulatoria, en cambio, ambas
naturalezas están relacionada y dependiendo del experimento que se realice se obtendrá
uno u otro comportamiento.
b
El laser es un ejemplo de la introducción de una disciplina llamada fotónica, la cual se
encarga de la interacción entre la materia masiva y los fotones. La aplicación de los
fotones para crear la luz laser, lo convierte un ejemplo perfecto para explicar el uso de los
fotones.
Las características de la luz laser son diferentes a las propiedades de otras fuentes de
radiación electromagnética, y estas son:
1. La luz laser se considera como monocromática. La luz laser emite una sola longitud
de onda de 109, a comparación de otros emisores de luz que emiten rangos
diferentes y que son menores a éste.
2. La luz laser es coherente espacial. La luz laser tiene poca divergencia lo que
permite ser proyectada la luz a grandes distancias.
3. Direccionalidad del laser. Impide que el haz de laser, a grandes distancias,
modifique su área de incidencia.
4. Enfoque del laser. El laser alcanza una densidad de flujo de 105 W/cm2.
Procesos mediante el cual existe interacción de materia y radiación:
1. Absorción: en un espectro continuo de radiación un fotón se acerca al átomo de dos
niveles y como resultado el fotón desaparece y el átomo pasa al nivel de mayor energía.
16

17. 2. Emisión espontánea: Tras estar un tiempo, el átomo, en el nivel de mayor energía pasa
al nivel de menor energía y al hacer esto desprende un fotón de energía. (La emisión
espontánea es aquella que genera la luz que proviene de una lámpara)
3. Emisión estimulada: Este proceso se ocasiona al tener el átomo en el nivel superior se
hace interactuar éste con un fotón ocasionando que éste baje de nivel de energía y como
resultado se obtienen dos fotones. Los fotones “estimuladores” y los “producidos” tienen
energía fase y estado de polarización igual lo que le da las características a los láseres.
Entonces para la creación del laser es importante tener en cuenta que los átomos deben
tener una estado metaestable largo utilizando tres estados de energía (es decir que se
mantengan en el estado de energía 2). Como inicio, un fotón genera el fenómeno de
absorción y con una vida metaestable larga en el nivel de energía 2 se crea el fenómeno
de la inversión de la población y con esto se origina los fenómenos de emisión estimulada
que genera a la luz laser.
En resumen el laser se refiere a un conjunto de átomos que se excitan de manera que se
crea una situación de inversión de población obteniéndose radiación electromagnética
mediante emisión estimulada.
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