Fundamentos de la Física Moderna: Dualidad Onda-Partícula, Efecto Fotoeléctrico y Leyes de Snell
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Principales teorías acerca de la naturaleza de la luz.
Teoría corpuscular. Según esta teoría, la luz es una corriente de partículas que se propaga desde el objeto al ojo humano. Esta teoría fue defendida en un inicio por Newton y luego por Einstein, que explicó con ella el efecto fotoeléctrico o fotovoltaico. Esta teoría también justifica la radiación emitida por un cuerpo negro y el efecto
Compton. Para todo ello, la luz está formada por paquetes de energía llamados fotones, y cada uno de ellos transporta una energía. Ponemos la hipótesis de Planck, donde h es la constante de Planck y f la frecuencia de la luz. En segundo lugar, la teoría ondulatoria.
Decimos que esta teoría defiende que la luz es una onda electromagnética y transmite energía como cualquier onda, justificando así la polarización, la interferencia, la difracción, que son fenómenos típicamente ondulatorios. Esto fue defendido por Maxwell, Huygens, Young. Y la tercera teoría, la naturaleza dual. Decimos que en la actualidad se admite que la luz tiene una naturaleza dual. Es decir, puede comportarse como partícula o como onda, pero no a la vez, no de manera simultánea. Si en un experimento se demuestra su naturaleza ondulatoria, ese mismo experimento no puede demostrar que tenga también una naturaleza corpuscular.
El efecto fotoeléctrico. Para Einstein, el efecto fotoeléctrico, que es la extracción de electrones de un metal gracias a la luz, ocurría siempre que la energía transportada por los paquetes de luz, o fotones, fuese superior al trabajo de extracción del metal. La fórmula del trabajo de extracción es E = h f_0, donde f_0 es la frecuencia umbral del metal, por debajo de la cual no ocurre efecto fotoeléctrico. La energía sobrante del fotón se invertía en proporcionar energía cinética al electrón extraído del metal, cumplíéndose la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico, que es un balance energético:
Si se produce ese efecto fotoeléctrico, va a ser inmediato. No va a depender de la intensidad de la luz, ya que, por mucha que sea, si no lleva la energía suficiente, no se va a producir efecto fotoeléctrico, porque este solo va a depender de la frecuencia.
Hipótesis de de Broglie. De Broglie pensó que las partículas materiales también podrían comportarse como ondas, y asoció una longitud de onda a las mismas que, según la conocida como hipótesis de de Broglie, vendría dada por la fórmula
donde p es la cantidad de movimiento o el momento lineal de la partícula. Por tanto, se cumple, al igual que en la radiación, que se acepta su doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria. El comportamiento ondulatorio de las partículas solo puede observarse experimentalmente si estas son muy pequeñas, ya que eso hará que la longitud de onda sea más grande, y podrían existir ranuras u obstáculos de ese orden para que se produzcan fenómenos ondulatorios como la difracción. En el caso de las partículas macroscópicas, no se pueden dar fenómenos ondulatorios, puesto que la longitud de onda de de Broglie asociada a ellas es tan pequeña que no habrá ranuras tan diminutas por las que puedan pasar.
El principio de Heisenberg, o el principio de incertidumbre o indeterminación, dice, abro comillas, no es posible determinar simultáneamente el valor de la posición x y del momento lineal p de un objeto cuántico con exactitud, ya que se ha de cumplir que la incertidumbre en la posición por la incertidumbre en p ha de ser mayor o igual que la constante de Planck dividida entre 4\pi.
Ley de Snell para la reflexión: La reflexión de la luz es el retorno del rayo luminoso al mismo medio por el que se propaga al chocar con una superficie que lo separa de otro medio con distinto índice de refracción. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano, llamado plano de incidencia. Los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.
Ley de Snell para la refracción: la refracción de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al entrar en otro medio con distinto índice de refracción, debido al cambio en su velocidad de propagación. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano, el plano de incidencia. La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la relación entre los índices de refracción de los dos medios.