Dualidad Onda-Corpúsculo: Explorando la Naturaleza de la Luz y las Ondas

Naturaleza de la Luz

La cuestión sobre cuál es la naturaleza de la luz ha supuesto un problema desde la antigüedad hasta el siglo XX. A lo largo de la historia se han desarrollado principalmente dos teorías contrapuestas:

• La teoría corpuscular, que considera que la luz está compuesta de partículas o corpúsculos, y cuyo principal representante fue Newton.
• La teoría ondulatoria, que defiende que la luz se comporta como una onda.

Las dos teorías explicaban los fenómenos de reflexión y de refracción. Sin embargo, sólo la teoría ondulatoria pudo explicar satisfactoriamente los fenómenos de interferencia y de difracción y el hecho de que la velocidad de la luz es mayor en los medios menos densos. Esto, junto al desarrollo del electromagnetismo por Maxwell, consolidó como válida la teoría ondulatoria. En el siglo XIX la cuestión quedó zanjada y se admitió que la luz era una onda electromagnética.

Sin embargo, a principios del siglo XX, Einstein tuvo que recurrir de nuevo a la naturaleza corpuscular de la luz para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de luz por la materia, como el efecto fotoeléctrico. A partir de entonces se introdujo en Física la dualidad onda-corpúsculo de la luz, que significa que la luz tiene las dos naturalezas: en unos fenómenos se comporta como una onda electromagnética de una cierta frecuencia, y en otros se comporta como un flujo de partículas llamadas fotones con una determinada energía.

Clases de Ondas

Existen varias clasificaciones posibles:

Según el medio en el que se propaga la onda:

• Ondas que no necesitan un medio material para propagarse y pueden, por tanto, propagarse en el vacío. Éstas son las ondas electromagnéticas y las gravitatorias. Ejemplos de ondas electromagnéticas son: la luz, las ondas de radio, televisión y telefonía móvil, las microondas, los rayos ultravioleta, los rayos gamma, etc.
• Ondas que necesitan un medio material para propagarse. A este tipo responden el resto de fenómenos ondulatorios que conocemos, como por ejemplo: el sonido, las olas, las vibraciones de una cuerda, etc. Este tipo de ondas son el resultado del movimiento ordenado de muchas partículas.

Según la dirección de vibración:

• Ondas Transversales: la vibración se produce en alguna dirección perpendicular a la dirección de propagación. Ejemplos: cuerda sacudida transversalmente y ondas electromagnéticas.
• Ondas Longitudinales: la vibración se produce en la dirección de propagación. Ejemplo: ondas sonoras.

Según el número de dimensiones del espacio en el que se propagan:

• Unidimensionales (ej.: vibraciones en una cuerda).
• Bidimensionales (ej.: olas en la superficie de un líquido o vibraciones en una membrana).
• Tridimensionales (ej.: la luz y el sonido).

Principio de Huygens

Se trata de un mecanismo sencillo para la construcción de frentes de ondas a partir de frentes en instantes anteriores. Un frente de ondas es cada una de las superficies que pasan por los puntos donde una onda oscila con la misma fase.

El principio dice que:

Los puntos situados en un frente de ondas se convierten en fuentes de ondas secundarias, cuya envolvente constituye un nuevo frente de ondas primario.

La forma de aplicarlo es la siguiente: se trazan pequeños semicírculos de igual radio con centros en diferentes puntos de un frente de ondas, y luego se traza la envolvente de los semicírculos, la cual constituye el nuevo frente de ondas. La figura muestra un ejemplo de aplicación a un frente de ondas esférico y otro ejemplo para explicar la difracción de un frente de ondas plano producida por un obstáculo.

Una consecuencia del principio de Huygens es que todos los rayos tardan el mismo tiempo entre dos frentes de onda consecutivos. Los rayos son líneas perpendiculares a los frentes de onda que indican la dirección de propagación de la onda. Aunque Huygens lo formuló para las ondas materiales, que eran las únicas conocidas en su época, su principio es válido para todo tipo de ondas. Kirchhoff extendió el método a las ondas electromagnéticas, una vez que fueron descubiertas.